考慮飽和-非飽和滲流的土石壩滲流及穩(wěn)定性計(jì)算

張守仁 （安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，安徽 合肥 230000）

1 引言

土石壩施工簡單，地質(zhì)條件要求低，造價(jià)便宜，因此是水利工程建設(shè)中一種重要的壩形[1]。在水庫運(yùn)行期，土石壩的滲流場實(shí)際上是飽和滲流場與非飽和滲流場的統(tǒng)一結(jié)合體[2-4]。然而在目前常規(guī)的滲流分析中，往往只考慮了壩體在飽和滲流狀態(tài)下的滲流和穩(wěn)定性計(jì)算情況，并運(yùn)用該結(jié)果來指導(dǎo)土石壩的施工。然而這與壩體的實(shí)際滲流場分布不相符，應(yīng)用該結(jié)果來指導(dǎo)實(shí)踐必將出現(xiàn)偏差，不利于施工安全。因此，開展土石壩在飽和-非飽和滲流狀態(tài)下的滲流計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算是極有必要的。

鑒于此，本文以某土石壩為研究對象，基于Geostudio軟件的滲流計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，分析了該土石壩在考慮飽和-非飽和滲流狀態(tài)下的滲流計(jì)算結(jié)果與穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，以期能為后面的工程提供參考。

2 工程概況

某土石壩位于山脊埡口處，壩基坐落在原生土層上，下伏巖石為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖，強(qiáng)風(fēng)化基巖一般在壩軸線處凸起成鞍形。該土石壩為粉質(zhì)粘土含粘質(zhì)砂土均質(zhì)壩，壩頂為泥結(jié)石路面，壩頂高程728.05m～728.08m，壩頂寬4.93m，上游側(cè)設(shè)1.2m高防浪墻。壩軸線長24.5m，最大壩高2.23m。上游壩坡坡比為1:1.2，采用混凝土預(yù)制塊護(hù)坡；下游壩坡綜合坡比為1:1.93，無排水設(shè)施。

3 滲流計(jì)算

3.1 工程概況

本文采用Geo-studio軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)工程資料建立了數(shù)值網(wǎng)格模型。模型共有6780個(gè)節(jié)點(diǎn)，6846個(gè)單元，網(wǎng)格模型圖及材料分類如圖1所示。

圖1 整體數(shù)值網(wǎng)格模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

對于非飽和土有兩個(gè)較為重要的參數(shù)，分別為土水特征曲線和滲透系數(shù)。目前國內(nèi)外常通過在少量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立模型對土水特征曲線進(jìn)行預(yù)測[5]。本文中壩體材料的非飽和滲透系數(shù)采用Geo-studio軟件內(nèi)置的Frelund和Xing模型來擬合獲得。在水庫運(yùn)行期內(nèi)，基巖處于庫水的長期浸泡中，基本處于飽和狀態(tài)，因此設(shè)置滲透系數(shù)時(shí)直接設(shè)定為飽和滲透系數(shù)值，本文在進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)主要考慮壩體材料中占比較大的粉質(zhì)粘土、填土和砂礫石等材料的非飽和滲透系數(shù)。

3.3 邊界條件

土石壩在庫水位穩(wěn)定在某一水位或庫水位變動(dòng)條件下滲流問題的邊界條件為水頭邊界條件，可表達(dá)為：

H(x，y，t)|s=H1(x,y,t)

式中，H(x,y)表示在二維條件下土石壩模型某一邊界S在t時(shí)刻的水頭，根據(jù)土石壩在穩(wěn)定或變化庫水位情況下的滲流條件，可確定該邊界S的水頭邊界值H1(x,y,t)。

滲流計(jì)算參數(shù) 表1

土壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算各材料物理力學(xué)指標(biāo) 表2

3.4 計(jì)算工況

本次計(jì)算擬計(jì)算正常蓄水位和校核洪水位兩種工況，分別如下

工況1：正常蓄水位（724m）+下游無水；

工況2：校核洪水位（727.08m）+下游無水；

3.5 計(jì)算結(jié)果

3.5.1 正常蓄水位工況

圖2 正常蓄水位工況下僅考慮飽和土和考慮非飽和土的滲流結(jié)果對比圖

該土石壩在正常蓄水位工況下的滲流計(jì)算結(jié)果表明，考慮飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果的浸潤線相對于考慮飽和滲流計(jì)算結(jié)果的浸潤線較高?？紤]飽和滲流計(jì)算結(jié)果得出的土石壩單寬滲流量為5.560×10-4 m3/d·m，而考慮飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果得出的土石壩單寬滲流量為8.037×10-4 m3/d·m。因此，考慮飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果得出的滲流量相較于考慮飽和滲流計(jì)算得出的滲流量要大很多。

3.5.2 校核洪水位工況

該土石壩在校核洪水位工況下的滲流計(jì)算結(jié)果表明，考慮飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果的浸潤線相對于考慮飽和滲流計(jì)算結(jié)果的浸潤線較高。僅考慮飽和滲流計(jì)算結(jié)果的土石壩單寬滲流量為8.380×10-4m3/d·m，而考慮飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果的土石壩單寬滲流量為12.113×10-4m3/d·m。故考慮飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果得出的滲流量相較于考慮飽和滲流計(jì)算得出的滲流量要大。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

土石壩的穩(wěn)定性計(jì)算在前期滲流計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行，使用的是Geo-studio軟件的slope/w模塊，分別使用簡化畢肖普法、瑞典圓弧法、簡布法以及摩根斯坦法進(jìn)行計(jì)算。

4.1 計(jì)算參數(shù)

本次穩(wěn)定性計(jì)算所需的參數(shù)如表2所示。

4.2 計(jì)算結(jié)果

正常蓄水位和校核洪水位兩種工況下分別基于飽和土滲流計(jì)算結(jié)果和飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果的壩坡穩(wěn)定性結(jié)果見表3和表4。

基于飽和滲流計(jì)算結(jié)果得出的壩坡最小安全系數(shù) 表3

基于飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果得出的壩坡最小安全系數(shù) 表4

從表3和表4可以看出，在正常蓄水位工況和校核洪水位兩種工況下，基于飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果的壩坡最小安全系數(shù)較基于飽和土滲流計(jì)算結(jié)果的最小安全系數(shù)小，更加偏于安全。

5 結(jié)論

在實(shí)際工程中，土石壩大部分均為非飽和壩，應(yīng)當(dāng)用飽和-非飽和土滲流的計(jì)算結(jié)果來指導(dǎo)工程建設(shè)。本文以某土石壩為研究對象，使用Geo-studio軟件分析了該土石壩在僅考慮飽和滲流和考慮飽和-非飽和滲流兩種狀態(tài)下的滲流計(jì)算結(jié)果和穩(wěn)定性結(jié)果，得出以下結(jié)論：

①考慮飽和-非飽和滲流計(jì)算得出的壩體浸潤線相較于僅考慮飽和滲流的壩體浸潤線位置高；

②考慮飽和-飽和滲流的壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果相較于僅考慮飽和滲流的壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果要偏小。在實(shí)際工程計(jì)算中，若僅考慮飽和滲流進(jìn)行壩體的穩(wěn)定性計(jì)算要留有一定的安全裕度。