庫水位變化下土石壩非穩定滲流場影響分析

李 婧

(大興安嶺地區行署水務局，黑龍江 大興安嶺 165000)

庫水位變化下土石壩非穩定滲流場影響分析

李 婧

(大興安嶺地區行署水務局，黑龍江 大興安嶺 165000)

土石壩是當今水利工程設計中最普遍的壩型之一，防滲體系的構建顯得尤為重要，目前發生的工程事故起因多是壩體和壩基的滲漏破壞導致。在大壩滲漏破壞導致的安全事故中，以蓄水期庫水位升降從而引發的非穩定滲流問題最為突出，多起潰壩事故發生原因是初次蓄水速度選取不當而引起。故在實際工程中，進行非穩定滲流場分析研究十分必要。文章結合工程實例，對土石壩進行滲流場與應力場耦合分析，通過與非耦合情況的計算結果對比，表明進行滲流場與應力場的耦合分析是貼合工程實際的。

土石壩；滲流場；庫水位；變化；影響

1 緒 論

土石壩是現在實際工程中應用最為廣泛的壩型，土石壩的滲流場是由飽和區和非飽和區組成的統一體。土石壩的滲流場由飽和區和非飽和區共同組成[1]，二者相互制約又相互聯系。影響因素諸多，降雨量、水位的變化等均能改變飽和區和非飽和區的作用區域，理論上單獨對非飽和區的滲流研究更能反映工程實際，假如單獨進行飽和區的滲流分析，直接加大了計算難度，伴隨著有時計算陷入死循環難以求解。

影響非飽和滲流運動的因素眾多，且形態也較復雜，比如固、液、氣三種不同形態、溫度、體積比、壓強和空氣壓力等，從力學角度范疇將這是多因子相互作用的共同結果，也是相互耦合的受力變化過程。目前國內隨著多年的研究發現，對于非飽和滲流參數的確定至關重要，參數的確定才能計算分析得出非飽和滲流的滲流場分布規律[2]。為使更加密切聯系工程實際，并為工程設計運行提供正確合理的理論依據，足以見土石壩飽和-非飽和滲流場的數值模擬分析的重要性。

2 庫水位升降對飽和-非飽和滲流的影響

一般情況下，均質土壩庫水位的變化分為上升和下降。目前主要針對庫水位下降時壩體的滲流場進行研究，水位下降時可分為三種流態：驟降、緩降、二者之間的降落[3]。庫水位的變化直接影響到浸潤線的分布位置和升降速度，決定因素一般有三個：土石壩的滲透系數k、庫水位升降速度V、土體的給水度μ。國內外多位專家學者在大量實驗結果基礎上一致認為k/μV理論上更加接近于標準值。k/μV理論上表示為土體孔隙中水質點與庫水位的下降速度比值關系。當k/μV→0，表明庫水位下降時大壩內的自由面保持一致，這是驟降階段；當k/μV→∞表明庫水位下降速度和壩體內自由面下降速度保持一致，這是流態中的緩降階段，此時認為大壩的土體孔隙水壓力消失迅速，壩體的安全穩定性無從影響。國內的專家毛昶熙[4]得出更為具體的定義要求，在均質土壩上游壩體不利于排水時，定義驟降為k/μV<1/10，大壩的自由面總水頭可維持在90﹪，壩體內浸潤線可視為維持原狀，此種情況將會威脅到上游壩坡的安全穩定性；定義緩降為k/μV>60，大壩自由面總水頭值保持在10﹪以下，此時基本沒有影響到上游壩坡的安全穩定性；當1/10

2.1 孔隙水壓力

非飽和土中的孔隙壓力分為氣壓力和水壓力，二者相互作用影響土的力學性質。在沒有排水要求的前提下，孔隙中的水和氣體禁止流出，此時荷載施加后產生的總應力分別作用于土體、孔隙氣壓力和水壓力，各自的壓縮性決定受力大小。土體顆粒本身的壓縮是微乎其微的，而孔隙氣壓力和水壓力的壓縮量變化隨著非飽和土的壓縮而增大。定義因壓縮而增加的孔隙水壓力為超孔隙水壓力。

孔隙水壓力的產生一般分為兩種情況：

1)滲流場單一的由水的自重荷載形成，此時的孔隙水壓力為靜孔隙水壓力，具有的力學特點是土體的整體結構維持原狀，孔隙水壓力可直接由非穩定滲流場的分析計算得出。

2)作用在土體上的外部荷載所形成的孔隙水壓力，換言之每個土體受力單元上應力發生變化形成的。此時的在受壓大，滲透系數較小的土體中存在孔隙水壓力。

在對壩體的滲流過程進行影響分析時，孔隙水壓力和時間變化是線性關系，一般情況下在地下水流動和大壩滲流，孔隙水壓力可認為是靜孔隙水壓力；由于壩體的滲流作用固結產生的孔隙水壓力可認為是超靜孔隙水壓力。

2.2 邊坡穩定性分析

目前比較成熟的邊坡穩定分析方法：極限平衡法、有限單元法、塑性極限分析法等。通過大量的試驗結果對比，在工程中采用極限平衡法得出的分析結果更符合實際本身。上述各研究方法的初始擬定條件、適用范圍各不相同，會導致結果的計算精度有較大差異。經過對比分析決定文章采用的是Morgenstern-Price法。

3 工程實例

建于中國西南地區的某均質土壩，主要功能是調蓄和灌溉，兼以發電功能，大壩壩頂長度505.0m，壩頂高程854.0m，最大壩高68.0m。上、下游壩坡比為1∶3、1∶2.75。該壩的最大橫剖面圖[5]見圖1。大壩內排水為水平褥墊方式。基巖上部為強風化層，基巖下部巖體為相對隔水層。

1)研究對象：庫水位在不同下降速度下，水位高程從正常蓄水位850m下降到805m的非穩定滲流場。

2)初始條件設置：在正常蓄水位850m時的穩定滲流場為初始條件。

3)邊界條件設置：定義壩體的上、下游側面和壩體基巖面為不透水邊界；定義總水頭函數在上游面壩體高程850m的坡面上，庫區水位的均勻下降速度設定兩種工況0.1m/d和1m/d；定義在壩體下游面803m高程的坡面處定水頭邊界88m保持不變[6]。

圖1 大壩橫剖面圖

3.1 浸潤線變化分析

飽和狀態和非飽和狀態下的非穩定滲流場浸潤線位置變化圖如圖2-5所示。

圖2 飽和狀態下下降速度v=0.1m/d時浸潤線變化圖

圖3 非飽和狀態下v=0.1m/d時浸潤線變化圖

圖4 飽和狀態下v=1m/d時浸潤線變化圖

圖5 非飽和狀態下v=1m/d時浸潤線變化圖

從計算結果可明顯得出，飽和滲流和非飽和滲流的浸潤線位置明顯不同，前者的浸潤線呈下凹趨勢，且與庫水位面的下降保持同步；考慮非飽和滲流反之呈上凸趨勢，下降趨勢與庫水位下降同步，但隨著庫水位下降速度的增大，這種趨勢愈發突出。

1)工況一：庫水位下降速度v=0.1m/d時，水位從850m下降到805m歷時480d時。飽和狀態下的浸潤線位置與庫水位下降同步，曲線隨時間均勻變化，逐漸趨于水平。非飽和狀態下的滲流場浸潤線隨著時間的推移，靠近大壩上游面的浸潤線與上游水位逐漸趨于平行，當v=0.1m/d時效果更為明顯。

2)工況二：庫水位下降速度v=1m/d時，水位下降到805m高程歷時48d時。飽和滲流的浸潤線位置變化與v=0.1m/d時分布規律一直，水位逐漸趨于水平，之后隨時間的增加浸潤線不再出現波動。在非飽和非穩定滲流場中，開始下降時浸潤線位置前端與庫水位下降保持一致，慢慢和水位齊平。而后浸潤線凸起的狀態愈發明顯，最高點的下降速度明顯低于1m/d，明顯的滯后于水位下降速度。

由計算結果的趨勢分布分析，飽和與非飽和滲流時浸潤線位置和庫水位變化是同步的，提前或滯后的現象不會發生[7]。同時可推算庫水位下降速度越大，浸潤線變化在相同時刻，靠近上游面部位的彎曲程度將越明顯，凸起的趨勢也將越大；最終和下降速度1m/d時曲線分布規律一致，也可得知在非飽和非穩定滲流中，在非飽和因素影響下土體孔隙水壓力消散時間更長，故浸潤線相比飽和滲流趨于水平時消耗時間更多。

3.2 孔隙水壓力變化分析

在進行非穩定滲流分析時，可得出各時刻各點的孔隙水壓力分布曲線。因飽和滲流中孔隙水壓力是維持不變的，文章著重計算非飽和區的孔隙水壓力并形成壓力分布曲線圖。在庫水位下降速度1m/d時為例，歷時7d,16d,30d,97d,時飽和-非飽和滲流的孔隙水壓力分布曲線圖，結果如圖6-9所示。

圖6 下降速度1m/d歷時7d時的孔隙水壓力分布

圖7 下降速度1m/d歷時16d時的孔隙水壓力分布

圖8 下降速度1m/d歷時30d時的孔隙水壓力分布

圖9 下降速度1m/d歷時97d時的孔隙水壓力分布

計算結果如圖示，浸潤線位置為孔隙水壓力大小為零時的曲線。歷時7d后，非飽和區為浸潤線以上區域，孔隙水壓力均為負值，愈靠近下游面絕對值越大，最大值200kPa。浸潤線以下的孔隙水壓力與計算深度呈線性關系，最大值1000kPa。歷時30d后庫水位下降到設計高度，最大孔隙水壓力降低為800kPa后保持不變。隨著庫水位下降的時間效應，浸潤線位置不斷下移，土體的非飽和區域不斷加大。

分析原因是庫水位下降時大壩的上游面與下游面始終有著水頭差，不斷保持著水流從大水頭向小的部位流動。庫水位的下降速度過快導致大壩孔隙水壓力消散不完全，在上游面失去水壓的部位水流會迅速溢出大壩，致使壩體自身的孔隙水壓力明顯高于上游面，導致浸潤線產生最高點，曲線分布也呈上凸形式，左、右兩側壩體內部的水流形態將不同。隨著庫水位下降的時間效應，浸潤線位置不斷降低，最高點也被推進至壩體中部，直到壩體滲流場的最終穩定。

綜上所述，隨著庫水位的下降，浸潤線位置和孔隙水壓力不斷下降，直至出現負壓，說明了大壩的浸潤線臨界區域飽和狀態與非飽和狀態的轉變過程，這是一種脫濕過程。隨著庫水位下降速度加快脫濕效應越明顯。

3.3 邊坡穩定分析

庫水位下降對邊坡的安全穩定影響很大。文章結合Geo-Studio軟件[8]中的SLOPE/W模塊，采用Morgenstern-Price法計算非飽和非穩定滲流影響下上游面壩坡的最小安全系數。計算結果匯總成變化曲線圖見圖10。

圖10 庫水位下降非飽和影響時上游邊坡最小安全系數變化曲線

由計算結果可以得到，庫水位下降速度和上游壩坡的安全系數關系是線性的，短暫時間后均產生一個最值，各種下降速度下的最值差異不顯著，且下降速度越快，安全系數亦越快達到最小值，最終穩定后的安全系數值均相同。

分析原因有：①由于庫水位下降導致大壩浮托力減小，同時壩體上游面抗滑阻力變小的緣故導致安全系數的減小；②土體的孔隙水壓力消散不完全，浸潤線位置高于庫水位，浸潤線最高點上游的倒流現象，加大滲流方向的下滑力，進而威脅到上游面壩坡的穩定性；③壩體上游面水體的靜水壓力的降低不利于壩坡穩定，進而致使安全系數的減小。

4 結 論

在庫水位變化情況下的飽和-非飽和滲流理論基礎上，根據已建立的滲流場與應力場耦合的數學模型，計算了庫水位在不同下降速度下的滲流穩定性，重點分析了浸潤線、孔隙水壓力的分布規律以及上游壩坡的安全穩定性，結果表明庫水位下降速度不同，各分析指標會出現一定的滯后性，滯后現象隨下降速度增大也越明顯，且總水頭和孔隙水壓力增加幅度越大，也嚴重威脅到上游壩坡的穩定性，所得出的結論對實際工程設計施工具有一定的參考價值。

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[3]柴軍瑞.論連續介質滲流與非連續介質滲流[J].紅水河，2002，21(01)：43-45.

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[5]毛昶熙．滲流計算分析與控制[M]．北京：中國水利水電出版社，2003：1-63，89-124，306-342.

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[7]朱曉源．考慮非飽和土體的土石壩滲流與壩坡穩定分析研究[D]．杭州：浙江大學，2006.

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AnalysisforEffectofReservoirWaterLevelChangingonUnsteadySeepageFieldofEarth-rockDam

LIJing

(DaxinganlingRegionalWaterAffairsBureau,Daxinganling165000,China)

The earth-rock dam is one of the most popular dam types in current hydraulic project design, so the seepage protection system appears to be particular important, at present, most of the project accidents are caused by leakage of dam body and foundation. In the accidents caused by dam leakage, the problem of unsteady seepage caused by reservoir water level changing in storage period is most prominent. Many dam-failure accidents were caused by improper selection for the first storage velocity. Therefore, it is necessary to analyze and study the unsteady seepage field in actual projects. In combination with project case, this paper analyzed the seepage field and stress field coupling for the earth-rock dam, by comparing the calculated results of un-coupling field, and it was shown that the coupling analysis of seepage field and stress field is suitable to the actual project.

earth-rock dam; seepage field; water level of reservoir; change; effect

1007-7596(2017)07-0026-04

2017-06-18

李婧(1969-)，女，吉林懷德人，高級工程師，從事勘測設計工作。

TV641；TV

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