庫水位對心墻壩滲流穩(wěn)定影響研究

陳章淼，代 彬

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概述

壩體安全關(guān)系到水利工程的正常使用以及下游居民生產(chǎn)生活的安全，準確評價壩體安全是十分必要的[1]。影響壩體安全的因素眾多，水是其中一個重要的因素，水可以降低壩體材料強度，同時水壓力也是誘發(fā)壩體破壞的一個主要因素[2]。同時壩體自身結(jié)構(gòu)設(shè)計也是影響其最終穩(wěn)定性的一個重要因素[3]。目前，針對壩體滲流、穩(wěn)定性研究的主要方法包括：數(shù)值模擬[4- 10]、理論計算[11- 13]；張寅寅等[14]使用有限元數(shù)值模擬分析不同排水條件下土壩滲流及穩(wěn)定性情況；魏玉師[15]基于BiShop理論通過FORTRAN語言自編滲流分析軟件，研究非飽和尺度土坡滲流及穩(wěn)定性情況。

2 心墻壩計算模型

2.1 壩體結(jié)構(gòu)

萬營水庫位于萬營河距水城縣城約80km，集水面積7.30km2。流域處于梯級狀斜坡地帶，萬營水庫工程為小(1)型水庫。

水庫大壩為粘土心墻防滲風化料壩殼壩，大壩壩頂設(shè)防浪墻，墻頂高程為1579.100m，高出壩頂1.0m，壩頂高程為1578.100m、長95.135m、寬6.0m，最大壩高41.1m。壩軸線方位角NE20°10′5″。

壩體材料分區(qū)、壩體填筑設(shè)計標準及大壩標準剖面如圖1所示，填筑料見表1。

2.2 計算參數(shù)

大壩的采用粘土直心墻防滲，防滲料選用壩址附近的粘土料，上游及下游填筑區(qū)采用料場風化料、開挖洞渣料及開挖全風化料。材料參數(shù)見表2。

3 數(shù)值模擬模型及計算工況設(shè)計

3.1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)心墻壩特征建立數(shù)值模擬模型(Geo-Studio)，模型地基自壩基至不透水層，建立水頭變動時間參數(shù)模擬水頭變化過程，數(shù)值模擬計算模型如圖2所示。

3.2 數(shù)值模擬計算工況

為了分析不同水位變動工況(正常蓄水位到死水位，30年一遇洪水位到正常蓄水位，死水位到正常蓄水位，正常蓄水位到30年一遇洪水位)下心墻壩的響應(yīng)特征，確定庫水位變動速率為0.2、0.5、1.0m/d，通過滲流量、浸潤線以及上、下游壩坡安全系數(shù)反映心墻壩的響應(yīng)特征。水位變動壩體響應(yīng)數(shù)值模擬計算工況見表3。

表3 計算工況

表1 壩體填筑標準

表2 數(shù)值模擬參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬計算模型

同時為了研究不同防滲墻深度對壩體防滲的影響，確定防滲墻深度分別為20、30、40m，研究庫水位分別在1556、1565、1575、1576.93情況下的滲流情況。

3.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

3.3.1浸潤線分布特征

不同庫水位壩體浸潤線如圖3所示。從圖3可知，在庫水位恒定的情況下，不同庫水位浸潤線變化曲線分布規(guī)律較為一致，在心墻部位浸潤線出現(xiàn)明顯的下降，這是由于心墻滲透系數(shù)較低具有較好的防滲阻水效果。同時可以看出下游壩坡范圍內(nèi)浸潤線分布較為密集，這表明上游壩坡浸潤線高度與下游壩坡相比對庫水位的變動響應(yīng)更為敏感。

圖3 20m防滲墻不同庫水位浸潤線

不同庫水位上升速率壩體浸潤線變化情況如圖4所示。從圖中可知，水位變化時浸潤線變化規(guī)律與靜態(tài)水位變化規(guī)律明顯不同，浸潤線突降部位位于心墻上游處，高水位與低水位浸潤線在心墻下游邊界處匯集，水位上升過程中，浸潤線分布較為密集。

圖4 不同水位上升速率浸潤線分布特征

3.3.2防滲墻深度對滲流的影響

不同防滲墻深度滲流量計算結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，心墻壩滲流量與庫水位高程呈正相關(guān)關(guān)系，與防滲墻深度呈負相關(guān)關(guān)系；滲流量隨著庫水位的增高以及防滲墻深度的減小而增大。這表明隨著防滲墻深度的增加，其防滲堵水效果越好。

圖5 不同深度防滲墻滲流量

3.4 壩體穩(wěn)定性計算結(jié)果

3.4.1不同庫水位壩體穩(wěn)定性分析

壩體穩(wěn)定性是壩體安全性的直接反應(yīng)，具有重要的研究意義和實際價值。上游壩坡、下游岸坡安全系數(shù)與庫水位關(guān)系如圖6所示。從圖中可知庫水位越高上游壩坡安全系數(shù)越低、下游壩坡安全系數(shù)越高，3種防滲墻深度，上游壩坡均處于安全情況，但下游壩坡在防滲墻深度為40m時處于安全情況。

圖6 不同庫水位上、下游壩坡安全系數(shù)

3.4.2水位變動壩體穩(wěn)定性分析

圖7 壩坡安全系數(shù)與時間關(guān)系

水位變動過程中，壩坡安全系數(shù)變化過程如圖7所示。從圖中可知，在初始狀態(tài)下，壩坡安全系數(shù)均處于相對較高的水平，在水位變動過程中，壩坡安全系數(shù)處于一個動態(tài)變化的過程，隨著庫水位的上升，壩體安全系數(shù)逐漸減小，且水位變動速率越大，初期安全系數(shù)變化幅度越大，但水位達到最高值并穩(wěn)定一段時間后，各個工況的安全系數(shù)趨于一致；之后隨著水位降低，壩坡安全系數(shù)逐漸增大，且水位下降越慢到達同一水位高程時，壩坡的安全系數(shù)越高，這主要是因為，在庫水位快速下降過程中，壩坡內(nèi)部的水并未完全排出，壩坡材料處于飽水狀態(tài)，強度較低，且?guī)焖焖傧陆到档土怂畨毫纹路€(wěn)定產(chǎn)生的正向作用。

4 結(jié)論

以萬營水庫心墻壩為例，通過數(shù)值模擬對心墻壩庫水位變動響應(yīng)機理進行研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)在心墻部位浸潤線會出現(xiàn)陡降，表明心墻具備較好的防滲效果。

(2)隨著防滲墻深度的增加、庫水位的降低滲流量逐漸減小。

(3)壩坡安全系數(shù)與庫水位關(guān)系密切，庫水位越高壩體安全系數(shù)越小且?guī)焖蛔儎铀俾试酱蟀踩禂?shù)變化越劇烈，因此在蓄水、防洪排水過程中應(yīng)保證庫水位的變化速率保證壩體的安全。