基于Geo-Studio軟件龍坑口水庫土壩滲流穩(wěn)定性分析

陳景輝

(開平市水口鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，廣東 開平 529300)

1 概 述

我國水庫數(shù)量位居世界榜首，多數(shù)修建于 20 世紀(jì) 50-70 年代，因施工處理不當(dāng)、填筑標(biāo)準(zhǔn)低、大壩及堤防工程建設(shè)失控、建設(shè)工程監(jiān)管不嚴(yán)、技術(shù)開發(fā)落后、違章施工等不利因素引發(fā)系列安全問題，造成大壩及堤防滲漏、壩體裂縫、壩體滲流等事件[1-2]。因此，探討綜合考慮滲流、變形等穩(wěn)定性分析方法具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值[3]。

目前，許多學(xué)者針對(duì)土壩滲流進(jìn)行了大量研究。杜二霞[4]采用有限元的方法對(duì)均質(zhì)土壩二維穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流進(jìn)行了分析，并編制了二維穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流情況下計(jì)算各滲流要素的有限元分析程序。趙曉西等[5]根據(jù)基本方程及定解條件的比較分析,將ANSYS 軟件的溫度場(chǎng)分析功能應(yīng)用于滲流場(chǎng)的分析,利用 APDL 語言實(shí)現(xiàn)了滲流參數(shù)化建模對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。周建國等[6]建立了飽和-非飽和非穩(wěn)定滲流計(jì)算模型,采用三維有限元方法，模擬了壩址區(qū)域地下水位在水庫蓄水過程中的動(dòng)態(tài)變化過程，并對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。溫岷峰[7]采用有限元法對(duì)某水庫土壩滲流進(jìn)行分析,并將計(jì)算浸潤線與實(shí)測(cè)浸潤線進(jìn)行比較。黃夢(mèng)婷等[8]運(yùn)用Auto Bank有限元分析軟件，對(duì)杏山水庫土壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。賽麥提[9]在排滲池內(nèi)對(duì)土壩進(jìn)行建模,并分析壩體上游水位波動(dòng)引起的滲流問題。王毅[10]基于比例邊界有限元方法(SBFEM)，針對(duì)壩體上游水庫為半無限棱柱形、壩前庫區(qū)形狀不規(guī)則的情況，完善了大壩-地基-庫水系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的有限元和SBFEM耦合計(jì)算模型。劉美意[11]通過某工程實(shí)例,對(duì)水庫土壩滲漏穩(wěn)定展開分析,并提出了相關(guān)除險(xiǎn)措施。

本文以龍坑口水庫為例，采用Geo-Studio軟件中SEEP/W進(jìn)行大壩滲流分析，同時(shí)采用SLOPE/W程序中4種不同的極限平衡邊坡穩(wěn)定性方法，對(duì)大壩上下游邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

2 工程概況

龍坑口水庫位于開平市水口鎮(zhèn)沙岡區(qū)街道辦事處寺前圩北面梁金山南麓,屬潭江新橋水,保護(hù)耕地80hm2。經(jīng)過多年運(yùn)行,部分工程建筑物損壞,影響水庫安全，于2004年對(duì)水庫進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。主要除險(xiǎn)加固項(xiàng)目有：①大壩加固工程；②溢洪道加固工程；③輸水涵管加固工程；④防汛公路等。

其中，水庫有溢洪道1座，位于大壩左側(cè)，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開敞式河岸正槽等寬矩形溢洪道。溢洪道堰頂寬12.00m，堰頂高程25.36m，最大下泄流量76.30m3/s，采用挑流消能。水庫有放水涵管一座,位于大壩中部偏左處,為鋼筋混凝土方形涵管內(nèi)套鋼管結(jié)構(gòu),過水?dāng)嗝娉叽鐬?.8m，采用閘門控制放水，進(jìn)口高程為18.60m，長70.00m，設(shè)計(jì)流量0.5m3/s。防汛公路長2km,為砼路面。大壩下游壩肩、壩腳設(shè)有排水溝,下游壩腳設(shè)有排水棱體，排水棱體完整且有效,但排水棱體及壩腳排水溝內(nèi)側(cè)有砂漿勾縫，不利于排出壩體滲水?，F(xiàn)場(chǎng)檢查溢洪道整體外觀良好,主體砼結(jié)構(gòu)表面基本平整,無剝蝕、沖刷現(xiàn)象，未見沉降、傾斜等變形異常，但進(jìn)口右側(cè)擋墻局部有裂縫；泄槽底板有三道較明顯的橫縫；左岸山體常年有股清水流出，滲漏量較大，因此有必要對(duì)壩體穩(wěn)定性和滲流進(jìn)行分析。

3 數(shù)值模型建立

本文建立的大壩數(shù)值模型結(jié)構(gòu)中，大壩橫斷面的尺寸、材料區(qū)域和土壤性質(zhì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得，大壩有心墻、壩體、壩基、反濾層，總高度24.4 m，最高水位可達(dá)22.6 m，土壤水特征曲線(SWCC)是分析非飽和材料條件下土壩的關(guān)鍵部分。由于大壩材料的實(shí)測(cè)SWCC不可用，因此本文的心墻計(jì)算參數(shù)根據(jù)勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算取得。本次采用Geo-Studio軟件進(jìn)行分析，包括瞬態(tài)滲流分析以確定水位下降期間的孔隙水壓力，以及上游壩坡的穩(wěn)定性分析，兩種分析均在自動(dòng)耦合模式下進(jìn)行。表1為計(jì)算參數(shù)，圖1為具體壩體尺寸。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

圖1 壩體尺寸

本次計(jì)算的滲流模擬主要采用SEEP/W中的有限元方法，分別模擬快速降深前和降深過程中土壩的二維穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流變化。該程序采用有限元方法，求解二維滲流的一般控制微分方程為：

(1)

式中：H為總水頭；kx為X方向的導(dǎo)水率；ky為Y方向的導(dǎo)水率；Q為邊界通量；θ為體積含水量；t為時(shí)間。

而對(duì)于大壩穩(wěn)定性分析模塊，本文采用SLOPE/W計(jì)算程序，根據(jù)力和力矩的極限平衡理論，采用以下兩個(gè)獨(dú)立方程式來估算抗破壞安全系數(shù)，其中應(yīng)滿足力矩平衡和水平力平衡：

(2)

(3)

式中：A為外力的合力；E為水平片間法向力；N為作用在切片底座上的總法向力；X為垂直層間剪力；kW為施加在每個(gè)切片中心的水平荷載；W為每一切片的總重量。

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 滲流分析

本文利用Geo-Studio軟件對(duì)壩體(殼心)和壩基的滲流進(jìn)行研究。圖2為壩體的滲流邊界條件，網(wǎng)格剖分包括四邊形和三角形單元，分別有4個(gè)和3個(gè)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)壩頂蓄水位是邊坡左邊界的臨界情況，恒定總水頭邊界，其值為22.6m, 下游側(cè)的水頭為0 m，首先確定浸潤線，以表示流網(wǎng)的頂部水力邊界, 然后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流分析。圖3為壩體的滲流計(jì)算結(jié)果。圖3中，在穩(wěn)態(tài)條件下，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游面相交，因此不會(huì)導(dǎo)致下游邊坡軟化或坍塌而導(dǎo)致后續(xù)破壞。此外，最大孔隙水壓力位于上游過渡帶底部，這是因?yàn)樽畲笏?22.6 m)下的初始孔隙水壓力高于任何其他水位下的值?？紫端畨毫﹄S著水位、速度矢量大小(矢量箭頭)、通過顆粒的流動(dòng)路徑和通過壩體的平均水流速度的增加而增加，平均流速為0.061 279 m3/d。圖4為距壩基不同距離處的水力梯度值。由圖4可知，水平和垂直水力梯度的最大值出現(xiàn)在下游出口點(diǎn)，分別為0.63和0.17，最大水平和垂直水力梯度小于1。

圖2 壩體的滲流邊界條件

圖3 壩體的滲流計(jì)算結(jié)果

圖4 距壩基不同距離處的水力梯度值

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

目前，邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡方法均是基于有關(guān)層間法向力(E)和剪力(T)的某些假設(shè)成立的，包括Bishop、Janbu、Morgenstern-Price和常規(guī)極限平衡方法。本文所使用的有限元程序SLOPE/W均包含了以上分析方法，這些方法的基本區(qū)別在于力的確定或假設(shè)方式。圖5為通過Janbu法計(jì)算得出的邊坡安全系數(shù)。根據(jù)圖5可知，Janbu法計(jì)算出的上游邊坡安全系數(shù)為2.874，而下游邊坡安全系數(shù)要低于上游邊坡，為2.121。圖6為通過Bishop法計(jì)算得出的邊坡安全系數(shù)。由圖6可知，Bishop法計(jì)算出的上游邊坡安全系數(shù)為3.811，而下游邊坡安全系數(shù)同樣要低于上游邊坡，為2.831。同時(shí)，本文采用的Morgenstern-Price和普通條分法所計(jì)算出來的上下游邊坡安全系數(shù)分別為3.521、2.711和3.181、2.398。

由此可知，Janbu法在上游和下游邊坡中產(chǎn)生的安全系數(shù)最低，而Bishop方法在上游和下游邊坡中產(chǎn)生的安全系數(shù)最高，但所有獲得的安全系數(shù)值均高于1，預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)邊坡破壞。此外，Morgenstern-Price方法被認(rèn)為是最適合用于圓形和非圓形破壞表面的方法，并滿足基本法向力的垂直力平衡。

4.3 大壩加固分析

通過以上數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，雖然邊坡趨于穩(wěn)定，但滲流分析得出水平和垂直水力梯度的最大值出現(xiàn)在下游出口點(diǎn)，因此有必要進(jìn)行事先的加固措施?，F(xiàn)階段，水利工程針對(duì)壩體防滲和加固通常會(huì)采取以下幾種常用手段：高壓噴射注漿法作為一種簡便易操作的技術(shù)，可以對(duì)涵蓋整個(gè)操作工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行整體性規(guī)劃，并且能夠確保漿液固結(jié)體可以持續(xù)性地維持高強(qiáng)度?；谏鲜鰞蓚€(gè)優(yōu)勢(shì)，在堤壩壩基的覆蓋層、接觸帶場(chǎng)景等應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常可以看到高壓噴射注漿法的應(yīng)用案例。另外，高壓噴射方式會(huì)對(duì)形成的固體形態(tài)產(chǎn)生直接影響，一般情況下的堆石體情況等復(fù)雜環(huán)境下常常采用防滲墻的結(jié)構(gòu)。通常情況下，高壓噴射采用單管噴射的基本方式，但有的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景下需要選擇雙管噴射、甚至是三管噴射的方式。垂直鋪塑防滲技術(shù)具有操作簡便以及施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，常用于低水頭堤壩處進(jìn)行防滲作業(yè)。因此，本文根據(jù)大壩實(shí)際情況，建議采用垂直鋪塑防滲技術(shù)，就能夠?qū)Υ髩螡B流破壞起到預(yù)防作用，在經(jīng)濟(jì)和安全上達(dá)到平衡。

圖5 Janbu法計(jì)算得出的邊坡安全系數(shù)

圖6 Bishop法計(jì)算得出的邊坡安全系數(shù)

5 結(jié) 論

本文以龍坑口水庫為例，采用Geo-Studio軟件中SEEP/W進(jìn)行大壩滲流分析，同時(shí)采用SLOPE/W程序中4種不同的極限平衡邊坡穩(wěn)定性方法，對(duì)大壩上下游邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，由于浸潤線位于土壩下游側(cè)，因此無內(nèi)部侵蝕。在最大水庫水位(22.6 m)下，通過壩基和壩體的總滲流量為0.061 279 m3/d。此外，出口水力梯度似乎與水庫水位呈二次關(guān)系。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性，Janbu法計(jì)算出的上游邊坡安全系數(shù)為2.874，而下游邊坡安全系數(shù)要低于上游邊坡，為2.121；Bishop法計(jì)算出的上游邊坡安全系數(shù)為3.811，而下游邊坡安全系數(shù)同樣要低于上游邊坡，為2.831。而采用Morgenstern-Price和普通條分法所計(jì)算出來的上下游邊坡安全系數(shù)分別為3.521、2.711和3.181、2.398。由于所有獲得的安全系數(shù)值均高于1，預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)邊坡破壞。