新疆戰(zhàn)備溝水庫庫壩滲流及穩(wěn)定性分析

張紅良

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 和田市 848000)

1 工程概況

薩爾布拉克河位于霍城縣東部，是霍城北山溝水系中靠東部的一條較大河流，上游山區(qū)降水充沛，多年平均徑流量2.053億m3，具有水利開發(fā)的有利自然資源條件。

圖1 研究區(qū)位置概況圖

壩址位于薩爾布拉克河中游段黃土丘陵區(qū)，兩岸山體拔河高度>100m，河道較為順直，河谷寬闊，呈“U”型，一般寬150-300m，漫灘及河心灘發(fā)育，河水面寬20-60m，水深0.5-1.2m，河流縱坡降10-15‰，河水位高程967-980m。左岸岸坡大部為坡積粉質(zhì)壤土覆蓋，自然坡度約35-45°，局部在坡腳有高約10-15m的近直立陡坎，左岸主要發(fā)育有兩條沖溝，間距600m，一般溝底寬5-8m，切割深度20-50m，延伸長度0.5-1.5km；右岸岸坡主要為風積黃土層，僅在坡腳處見有上更新統(tǒng)冰水沉積(Q2)砂卵礫石出露，自然坡度較緩，約30°左右，岸坡順坡向發(fā)育四條沖溝，間距100-270m，一般溝底寬5-15m，切割深度20-30m，延伸長度0.5-1.0不等，溝與梁相間，梁頂坡度平緩，沖溝兩側(cè)及臨河岸坡相對較陡。

2 研究方法

2.1 模擬軟件

Geo-Studio系統(tǒng)軟件是針對不同區(qū)域模型的分布情況而做出一個整體全面的分析軟件。其中該系統(tǒng)一共有八種不同的模塊，以應(yīng)對不同的工程狀況。具體分別為：Slope/w模塊為邊坡穩(wěn)定性分析軟件；Sigma/w模塊為巖土應(yīng)變分析軟件；Quake/w模塊為地震模擬分析軟件；Temp/w模塊為地熱分析軟件；Seep/w模塊為地下水滲流模擬分析軟件；Air/w模塊為空氣流動模擬分析軟件。戰(zhàn)備溝壩體滲流與穩(wěn)定性分析主要是通過Geo-Studio軟件中的seep/w模塊和slope/w模塊進行有限元模擬計算得出的。根據(jù)模擬的計算結(jié)果球的出壩體滲流的運動規(guī)律，利用這個結(jié)果疊加求解出左右壩坡的最小安全系數(shù)以及可能出現(xiàn)滑動面的位置，最終給予合理的建議[1]。

2.2 滲流模型的建立

大壩位置擬定在撒爾布拉克河中游段的位置，由于該項目處于初步設(shè)計階段，因此目前暫定為瀝青混凝土心墻砂礫石壩。本次模型的建立以及參數(shù)的選取也僅僅根據(jù)初步設(shè)計勘察階段所提供的數(shù)據(jù)資料。圖2為壩址區(qū)工程地質(zhì)圖。

圖2 壩址區(qū)工程地質(zhì)圖

首先打開Geo-Studio 軟件，選擇 seep/w模塊，建立工作平面選擇合適的比例，繪制坐標軸以及一些小的參數(shù)設(shè)定[2]。接著將AutoCAD中的大壩橫剖面圖導(dǎo)入到軟件中，設(shè)置好分區(qū)，圖 3 是已經(jīng)完成的大壩模型。

圖3 大壩模型

根據(jù)現(xiàn)有資料，將壩體分為八個區(qū)塊，分別為導(dǎo)流圍堰填筑區(qū)，砂礫石填筑區(qū)，堆石填筑區(qū)，砂卵礫石層(Q4al+pl)，礫巖(Q1fgl)，泥巖(Q1al+pl)，瀝青混凝土心墻以及防滲帷幕。具體的物理力學性質(zhì)參數(shù)是根據(jù)勘察報告的實驗結(jié)果參考得來，見表1。

表1 體分區(qū)物理力學性質(zhì)參數(shù)表

完成網(wǎng)格劃分工作之后開始設(shè)置邊界條件，具體操作如下：

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》上的要求，在對于大壩進行計算的時候應(yīng)考慮各種不利因素，分不同的工況進行分別討論求解[3]。但結(jié)合實際情況，加上手里的資料有限，并沒有實際監(jiān)測的水文數(shù)據(jù)，因此決定只選擇兩種穩(wěn)態(tài)情況作滲流分析，分別為工況(1)左岸壩坡正常蓄水位1024.7m與右岸壩坡最低水位即地下水水位977.5m，工況(2)左岸壩坡校核洪水位1026.54m與右岸壩坡最低水位即地下水水位977.5m。

整個模型絕對高程，其中邊界按照第一類邊界條件考慮，也就是按水頭邊界條件。左岸壩坡正常蓄水位高程 1024.7m，右岸壩坡最低水位為地下水水位977.5m，由于底側(cè)為弱風化不透水巖層，不影響計算，所以本次未賦予邊界條件。接著將邊界條件賦值到模型的邊界處，至此大壩建模以及參數(shù)的設(shè)置全部完成，圖 4 為設(shè)置好的大壩滲流模型分析，左岸藍色和右岸紅色為水頭邊界線。

圖4 大壩滲流模型

2.3 壩體穩(wěn)定模型建立

壩體穩(wěn)定模型的建立是基于Geo-Studio中的slope/w模塊，由于文章篇幅的限制，詳細的步驟和滲流模型建立相類似，這里只是簡單的介紹，具體步驟如下[4]：

首先打開之前 seep/w 的計算結(jié)果，該軟件可以根據(jù)滲流及計算結(jié)果應(yīng)用到壩坡穩(wěn)定分心中，大大減少了工作量。分析選項選擇 slope/w 中的極限平衡，將不同區(qū)域物理力學性質(zhì)參數(shù)賦值到各個區(qū)域內(nèi)。接著修改滑動面選項信息，用戶可以根據(jù)自己的要求，定義滑動面滑動方向，還可以利用系統(tǒng)自帶的算法自動搜素可能滑動面。在這里需要強調(diào) slope/w 模塊中可以根據(jù)不同情況選擇不同的滑移面定義方法，其次對于不同的邊坡軟件可以自動分析搜索可能的滑移面以及最小安全系數(shù)的查找。文章所用的是利用系統(tǒng)自帶的算法自動搜尋滑動面區(qū)域。通過窮舉法思想，模擬出所有可能出現(xiàn)滑動面的情況，并根據(jù)這些情況自動求接觸安全系數(shù)。最后一步檢查模型設(shè)置參數(shù)，至此壩體穩(wěn)定模型建立完成[5]。

3 壩體滲流模型計算與結(jié)果分析

根據(jù) Geo-Studio 軟件 seep/w 模塊模擬的結(jié)果見圖5-圖8。

圖5 工況1正常蓄水位滲流圖

圖6 工況1正常蓄水位孔隙水壓力圖

圖7 工況2校核洪水位滲流圖

圖8 工況2校核洪水位孔隙水壓力圖

通過軟件模擬計算得出，在正常蓄水位工況下，大壩主壩軸線位置處的單寬滲流量為3.765×102m3·d，出逸比降為0.319%；在校核洪水位工況下，大壩主壩軸線位置處的單寬滲流量為3.22×102m3·d，出逸比降為0.291%。

結(jié)合各個工況的滲流看出，在工況1正常蓄水位的條件下，單寬滲流流量和出逸比降相對較高，說明處于不同水位對壩體的滲流影響較大；其次從圖中浸潤線可以看出，正常蓄水條件下的浸潤線要高于校核洪水位的，且下游浸潤線與壩腳線相交。由此可以看出滲流的路徑位于坡腳附近，且壩身并不需要加強防滲措施，大壩的設(shè)計相對科學可靠，但需要注意的是在坡腳處需設(shè)置合理的排水溝，以便水庫在正常工作下可以將滲流及時排除，減小工程隱患。另外根據(jù)相關(guān)規(guī)范出逸比降并未超過臨界破壞值的范圍，因此可以判定不會發(fā)生類似的滲透變形破壞。

4 壩體穩(wěn)定性分析

根據(jù)Geo-Studio軟件slope/w模塊模擬的結(jié)果如圖9-圖12所示。

圖9 工況1左岸壩坡模擬結(jié)果圖

圖10 工況1右岸壩坡模擬結(jié)果圖

圖11 工況2左岸壩坡模擬結(jié)果圖

圖12 工況2右岸壩坡模擬結(jié)果圖

由模擬計算結(jié)果可以看出，在工況1的情況下上游壩坡和下游壩坡的最小安全系數(shù)分別為2.772和2.282，在工況2的條件下上游壩坡和下游壩坡的最小安全系數(shù)分別為2.893和2.352。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的安全數(shù)值進行對比分析，可以看出壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均在規(guī)范規(guī)定允許范圍內(nèi)，壩坡安全穩(wěn)定，壩型設(shè)計方案較為合理。

其次在對比上下游安全系數(shù)可以看出上游安全系數(shù)要略大于下游的安全系數(shù)。因為上游在蓄水或者水位變化過程中水流，浪擊不斷作用壩坡，所有適當提高左岸的安全系數(shù)也比較符合實際情況。從上述圖中看出，可能出現(xiàn)的滑移面一般出現(xiàn)在壩體的中上部位置，所以對于該位置可以做適當?shù)募庸烫幚怼?/p>

5 結(jié) 論

介紹了新疆戰(zhàn)備溝水庫大壩在兩種不同工況下(正常蓄水工況和校核洪水位工況)壩體的滲流規(guī)律以及穩(wěn)定性分析。首先分別介紹壩坡基本理論以及壩坡穩(wěn)定性分析方法。使用GeoStudio 系統(tǒng)軟件中Seep/w模塊和Slope/w 模塊。根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)對大壩建模分析求解。最終求出壩體滲流場的分布情況，浸潤線以及孔隙水壓力分布特征以及最小安全系數(shù)。對比得出大壩安全系數(shù)遠高于設(shè)計時的要求，說明該方案科學可行。