考慮滲流影響的水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定性研究

陸慶芳 陸華坤

摘要：水利大壩在防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游、城市供水等方面發(fā)揮著重要作用。大壩的穩(wěn)定性在工程設(shè)計(jì)和研究過(guò)程中至關(guān)重要?；谟邢薏罘址ê蛷?qiáng)度折減法的基本原理，采用FLAC3D軟件，考慮滲流狀態(tài)、水庫(kù)水位高度和壩體滲透系數(shù)，對(duì)大壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著庫(kù)水位的升高，壩體的滲流特性更加明顯，壩體的水平位移增大，壩體的滑動(dòng)安全系數(shù)減小。隨著壩體滲透系數(shù)的增大，壩腳滲流流量呈線性增大，壩體穩(wěn)定性明顯降低。該研究對(duì)壩基滲流和壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)水位和壩體滲透性是影響壩坡穩(wěn)定的重要因素，因此在大壩設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中有必要加強(qiáng)防滲措施。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)?大壩?邊坡穩(wěn)定性?滲透性

中圖分類(lèi)號(hào)：TV223.4???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research?on?the?Slope?Stability?of?Reservoir?Dams?in?Consideration?of?the?Effect?of?Seepage

LU?Qingfang??LU?Huakun

（Honghu?Irrigation?Area?Workstation，?Jingzhou，?Hubei?Province，?433200?China）

Abstract：The?water?conservancy?dam?plays?a?significant?role?in?flood?control，?power?generation，?shipping，?irrigation，?aquaculture，?tourism，?urban?water?supply?and?other?aspects.?The?stability?of?the?dam?is?extremely?important?in?the?process?of?engineering?design?and?research.?Based?on?the?basic?principles?of?the?finite?difference?method?and?strength?reduction?method，?FLAC3D?software?is?used?to?analyze?the?stability?of?the?dam?in?consideration?of?the?seepage?state，?the?height?of?the?reservoir?water?level?and?the?permeability?coefficient?of?the?dam?body.?Results?show?that?with?the?increase?of?the?reservoir?water?level，?the?seepage?characteristics?of?the?dam?body?is?more?obvious，?the?horizontal?displacement?of?the?dam?body?increases，?and?the?slip?safety?factor?of?the?dam?body?decreases，?and?that?with?the?increase?of?the?permeability?coefficient?of?the?dam?body，?the?seepage?discharge?at?the?foot?of?the?dam?increases?linearly，?and?the?stability?of?the?dam?body?decreases?obviously.?It?is?found?that?the?reservoir?water?level?and?the?permeability?of?the?dam?body?are?the?important?factors?affecting?the?stability?of?the?dam?slope，?so?it?is?necessary?to?enhance?anti-seepage?measures?during?the?design?and?construction?of?the?dam.

Key?Words：?Reservoir;?Dam;?Slope?stability;?Permeability

土石壩是一種由當(dāng)?shù)赝潦牧咸钪傻膿跛Y(jié)構(gòu)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的建設(shè)和應(yīng)用。土石壩的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、施工方便、抗震性能好，但也存在滲漏、滑坡、震害等問(wèn)題[1]。通過(guò)總結(jié)全世界的潰壩事故可以發(fā)現(xiàn)，其中土石壩約占潰壩總數(shù)的70%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，洪水漫頂、滲流破壞、管道滲漏和邊坡失穩(wěn)是土石壩事故的主要原因。

針對(duì)土石壩的特點(diǎn)，大壩變形評(píng)價(jià)是非常重要的。土石壩的計(jì)算應(yīng)關(guān)注三個(gè)問(wèn)題：應(yīng)力路徑的影響、加濕變形和非線性本構(gòu)模型。最常用的非線性彈性本構(gòu)模型是Duncan-Zhang?E-B模型和E-v模型。如有研究使用鄧肯-張E-B非線性彈性模型分析了土石壩防滲墻的應(yīng)力和變形特征。研究發(fā)現(xiàn)，壩體橫截面和橫隔板剛度對(duì)壩體變形有明顯影響。

在大壩的穩(wěn)定性分析中，壩坡滑動(dòng)穩(wěn)定性是非常重要和必要的。邊坡滑動(dòng)穩(wěn)定性分析的常用方法，包括極限平衡法、應(yīng)力分析法和赤平投影法[2]。這些傳統(tǒng)方法不能考慮邊坡內(nèi)部水的影響，因此提出并研究了許多修正公式。土石壩和地基蓄水將形成穩(wěn)定滲流。此外，水庫(kù)水位的快速波動(dòng)將對(duì)大壩造成嚴(yán)重影響。

穩(wěn)定性水庫(kù)蓄水將降低壩址的抗滑阻力，快速下降將產(chǎn)生進(jìn)入水庫(kù)的動(dòng)態(tài)水壓。除壩體本身的滑動(dòng)穩(wěn)定性外，滑坡對(duì)庫(kù)區(qū)岸坡的沖擊力對(duì)壩體的影響也較大。滲流對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定性的影響是關(guān)系到土石壩安全的重要研究課題[3]。然而，目前的邊坡穩(wěn)定性分析很少考慮地下水滲流的影響。因此，該研究基于一個(gè)實(shí)際的水庫(kù)大壩工程，研究了水庫(kù)水位高度和壩體滲透性對(duì)大壩邊坡穩(wěn)定性的影響[4]。

1?分析方法和計(jì)算模型

1.1分析方法

通過(guò)大型商用軟件FLAC3D（Fast?Lagrangian?Analysis?of?Continua），采用有限差分法研究水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定性?？紤]大壩滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算大壩邊坡滑動(dòng)安全系數(shù)[5]。

強(qiáng)度折減法的基本原理是降低土壤的抗剪強(qiáng)度，直到判斷邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。安全系數(shù)定義為土壤實(shí)際抗剪強(qiáng)度與土壤降低強(qiáng)度之間的比率[6]。

1.2.數(shù)值模型

以實(shí)際水庫(kù)大壩為例，建立了如圖1所示的數(shù)值模型。水庫(kù)水位h分別設(shè)置為5?m、12?m、14?m、15?m、16?m和17?m。壩基的粉質(zhì)粘土層被認(rèn)為是滲透層。該模型共有2?602個(gè)單元和3?327個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件在底部節(jié)點(diǎn)中設(shè)置為固定，而左側(cè)和右側(cè)節(jié)點(diǎn)在水平方向上固定，在垂直方向上自由。水庫(kù)底部、壩體兩側(cè)邊坡和壩址表面設(shè)置為排水邊界。水庫(kù)大壩和地基材料參數(shù)如表1所示。

2?結(jié)果分析

2.1水庫(kù)大壩的滲流特性

模擬了水庫(kù)水位分別為5?m、10?m、12?m、14?m、15?m、16?m和17?m時(shí)水庫(kù)大壩的滲流行為。土石壩內(nèi)部孔隙水壓力分布如圖2所示。結(jié)果表明，水位越高，飽和線越高，地下水的滲流效應(yīng)越明顯。

圖3顯示了土石壩壩腳處的滲流。隨著蓄水位的增加，滲流近似線性增加。隨著大壩滲透系數(shù)的增大，滲流量增大?？梢杂^察到，水庫(kù)水位和壩體滲透性對(duì)壩腳滲流的影響較大。

2.2?水庫(kù)大壩的變形特性

圖4顯示了不同蓄水位下壩體中心軸上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，土石壩的位移自上而下先增大后減小。隨著蓄水位的增加，水平位移不斷增加。當(dāng)水庫(kù)水位為17?m時(shí)，大壩最大位移值為0.010?64?m。當(dāng)蓄水位h=17?m時(shí)，整個(gè)土石壩的水平變形等值線如圖5所示。

隨著蓄水位高度的不斷增加，土石壩上游面上的水壓增加，導(dǎo)致土石壩向水庫(kù)外部水平位移，最大位移位于上游面的位置。

2.3?水庫(kù)大壩的滑動(dòng)穩(wěn)定性

采用強(qiáng)度折減法研究土石壩邊坡穩(wěn)定性，綜合比較了水庫(kù)水位和壩體滲透性的影響。圖6顯示了考慮蓄水位和大壩滲透性變化的邊坡安全系數(shù)變化?？梢钥闯?，隨著蓄水位的升高，壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)明顯降低，隨著壩體滲透性的增加，壩體的穩(wěn)定性安全系數(shù)也有所降低。研究表明，水庫(kù)蓄水位和大壩滲透性是影響水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定性的重要因素。以h=16?m為例，最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植既鐖D7所示。它很容易顯示出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置，大致為弧形滑動(dòng)面。最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面位于連接壩頂和壩腳的大壩背面。

3?結(jié)論

通過(guò)FLAC3D有限差分軟件，采用流固耦合強(qiáng)度折減法對(duì)水庫(kù)土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。可以總結(jié)以下結(jié)論。

（1）?隨著水庫(kù)水位的升高，土石壩的水平位移顯著增大。大壩中心軸線的位移線表明，最大位移發(fā)生在壩體內(nèi)部。

（2）?結(jié)果表明，隨著蓄水位的增加，滲流近似線性增加。隨著大壩滲透系數(shù)的增加，滲流顯著增加。

（3）?采用強(qiáng)度折減法分析土石壩邊坡穩(wěn)定性。隨著水庫(kù)水位和壩體滲透性的增加，壩體安全系數(shù)顯著降低，表明水庫(kù)水位和大壩滲透性是影響水庫(kù)大壩邊坡滑動(dòng)災(zāi)害的重要因素。

參考文獻(xiàn)

1. 李國(guó)玉.不同降雨和施工工況下某大壩左岸巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性分析[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2020（4）：84-87.
2. 姚穎.卡盧河大壩Q1石料場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2019.
3. 崔潔.不同庫(kù)水位升降速度對(duì)大壩邊坡穩(wěn)定性的影響研究[J].水利水電技術(shù)，2017，48（2）：155-159.
4. 晁燕安，蔣龍，李玉峰.烏東德水電站大壩邊坡及建基面精細(xì)開(kāi)挖技術(shù)[J].水利建設(shè)與管理，2020，40（8）：25-30.
5. 李翔宇.基于地基雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的大壩邊坡形變監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2020.
6. 黃亮.水位升降對(duì)庫(kù)岸大壩邊坡穩(wěn)定性影響三維數(shù)值模擬研究[J].黑龍江水利科技，2021，49（1）：56-59.