Geostudio軟件在土壩滲流穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

林悅奇

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國興建各類擋水大壩共計(jì)8萬多座，其中95%以上為土石壩。土石壩泛指由當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩。使用土料填筑而成的壩體，其滲流問題和壩坡穩(wěn)定問題是影響大壩安全的關(guān)鍵所在[1]。土壩滲流計(jì)算及壩坡穩(wěn)定計(jì)算大多采用有限元方法，本文以從化某水庫為例，用Geostudio對(duì)大壩進(jìn)行有限元滲流穩(wěn)定分析[2- 3]，為同類型工程的滲流穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

Geostudio滲流計(jì)算基本方法是達(dá)西定律，達(dá)西定律在非飽和區(qū)和飽和區(qū)的應(yīng)用是一樣的。計(jì)算時(shí)，使用平面二維滲流方程：

式中，H—總水頭，m；kx—x方向滲透系數(shù)，m/s；ky—y方向滲透系數(shù)，m/s；Q—應(yīng)用邊界滲流量，m3/d；θ—土體儲(chǔ)水變化率；t—時(shí)間，s。

等式右端為土體儲(chǔ)水變化率，該方式適用于瞬態(tài)分析。如果等式右端等于0，即土體儲(chǔ)水不變時(shí)，即為穩(wěn)態(tài)分析。

1 工程概況

從化某水庫位于從化區(qū)西部，建成于上世紀(jì)60年代，水庫集雨面積12.9km2，設(shè)計(jì)正常蓄水位97.50m，相應(yīng)庫容1，100m3；50年一遇設(shè)計(jì)洪水位99.10m，相應(yīng)庫容1270萬m3；1000年一遇校核洪水位100.50m，相應(yīng)庫容1414萬m3，屬中型水庫。大壩最大壩高為30.45m，壩頂高程103.45m，壩頂寬5m，壩頂長135m，迎水坡用混凝土護(hù)坡，分為3種坡度：1∶2.75；1∶3；1∶3.25。背水坡設(shè)墊褥式反濾層，并有戧臺(tái)2道，寬為1.5m，壩坡亦分為3級(jí)：1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0。

1.1 滲流穩(wěn)定計(jì)算工況

根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，參考水庫調(diào)洪計(jì)算成果及大壩實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的不利情況，擬定下列工況進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

正常運(yùn)用條件：

工況1：正常蓄水位97.50m上、下游壩坡滲流穩(wěn)定分析；

工況2：設(shè)計(jì)洪水位99.10m(P=1%)上、下游壩坡滲流穩(wěn)定分析；

工況3：設(shè)計(jì)洪水位99.10m驟降至正常蓄水位97.5m上游壩坡滲流穩(wěn)定分析；

非常運(yùn)用條件I：

工況4：校核洪水位100.50m(P=0.1%)上、下游壩坡滲流穩(wěn)定分析；

工況5：校核洪水位100.50m(P=0.1%)降至設(shè)計(jì)洪水位99.10m上游壩坡滲流穩(wěn)定分析；

工況6：正常蓄水位97.50m驟降至死水位77.50m上游壩坡滲流穩(wěn)定分析。

1.2 計(jì)算模型及模型率定

1.2.1 計(jì)算模型

滲流和穩(wěn)定分析采用Geostudio中的seep模塊和slope模塊進(jìn)行。計(jì)算模型選取最大壩高斷面進(jìn)行建模，根據(jù)原有工程資料及三維激光掃描的成果，確定計(jì)算模型的幾何尺寸。模型高度為70m，其中壩體高度30.45m，壩頂寬度5m，模型長度540m，其中壩體長度184m。其建模步驟如下：

Geostudio軟件可在set中設(shè)置模型的長度、高度、比例、計(jì)算單位及坐標(biāo)軸等模型參數(shù)設(shè)置。模型高度宜按實(shí)際高程進(jìn)行建模，可以減少高程換算。

在CAD中使用Pline繪制出大壩上、下游壩坡輪廓、排水棱體輪廓，壩基巖土分層情況按地質(zhì)剖面繪制并保存為DXF文件。

將繪制好的模型導(dǎo)入Geostudio中，根據(jù)所繪制的輪廓線，使用Draw Regions對(duì)各巖土層進(jìn)行面域劃分。面域劃分是為了區(qū)別不同的土層，方便對(duì)巖土體附加不同的材料屬性。當(dāng)一個(gè)面域被定義時(shí)，它只能賦予一種材料類型，只能有一種網(wǎng)格劃分方式，面域內(nèi)所有的單元均為同階單元，積分階次相同。

計(jì)算模型如圖1所示，模型有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分一般使用推薦的非結(jié)構(gòu)化四邊形和三角形網(wǎng)格，每個(gè)計(jì)算單元邊長為0.5m，單元邊長可根據(jù)計(jì)算精度和要求自行確定。

圖1 計(jì)算模型簡圖

在KeyIn Matetials中可以定義各巖土層土水特征曲線和土體滲透系數(shù)，模型的地質(zhì)分層情況根據(jù)地質(zhì)鉆探成果劃分，自上而下分別為素填土層、礫質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖。各土層參數(shù)取值如表1所示：

表1 各巖土層物理參數(shù)取值表

素填土層材料屬性按飽和-不飽和設(shè)置[4- 6]，在非飽和區(qū)，滲透系數(shù)是變化的。由于滲透系數(shù)是體積含水量的函數(shù)，根據(jù)Van genuchten模型和單位體積含水量曲線(如圖2所示)估算出壩體素填土層的土水特征曲線(如圖3所示)，由水土特征曲線及相應(yīng)的上下游水力邊界條件求解得壩體浸潤線。在浸潤線以上部分為不飽和土體，浸潤線以下為飽和土體。目前一些參考算例中滲流計(jì)算按飽和土體計(jì)算，當(dāng)壩體填土采用飽和屬性時(shí)，其浸潤線上部也存在滲徑，求出的滲流量偏大，與實(shí)際誤差較大。當(dāng)采用飽和-不飽和屬性計(jì)算時(shí)，滲徑主要分布在浸潤線以下，較貼合實(shí)際工況。壩基土層按飽和考慮。

圖2 壩體填土體積函數(shù)率曲線

圖3 壩體填土水土特征曲線

指定邊界條件是滲流數(shù)值分析的關(guān)鍵。邊界條件直接決定滲流計(jì)算結(jié)果，沒有邊界條件則無法求解。在Geostudio Seep模塊中，邊界條件可以選擇輸入邊界水頭或者邊界滲流量，當(dāng)指定為邊界水頭時(shí)，求解結(jié)果為滲流量，當(dāng)指定滲流量時(shí)，求解結(jié)果為邊界水頭。本次計(jì)算為輸入邊界水頭求解滲流量，根據(jù)滲流量可以對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。邊界水頭輸入的是總水頭，故模型宜按實(shí)際高程建模。

由于排水棱體正常排水，故壩坡下游邊界水頭設(shè)置與地面高程一致，上游邊界條件根據(jù)擬定工況的不同而設(shè)置不同的水頭。根據(jù)計(jì)算工況的需要，在KeyIn Boundary Conditions中定義不同的水力邊界條件，使用Draw Boundary Conditions將所需的水力邊界條件附加在模型上。軟件通過流量與水頭邊界，迭代求解得到溢出點(diǎn)及壩體內(nèi)部浸潤線。

1.2.2 模型率定

模型率定采用以下2種方法：

(1)根據(jù)實(shí)測(cè)的滲流量率定。根據(jù)工作組技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)量水堰用多普勒流量儀測(cè)得滲流量為25.40m3/d，對(duì)應(yīng)的庫水位約為90m。在正常蓄水工況模型中，庫水位90m工況計(jì)算出滲流量約為24.5m3/d，計(jì)算滲流量為實(shí)測(cè)值的96.4%，與實(shí)測(cè)值相差3.6%。

(2)根據(jù)高密度電法探測(cè)結(jié)果率定。高密度電法探測(cè)成果如圖4所示，根據(jù)探測(cè)成果[7]，在背水坡一級(jí)馬道下方，其壩體電阻突然減小(藍(lán)色部分)，說明該部分土體含水率較高。計(jì)算結(jié)果顯示一級(jí)馬道下方區(qū)域滲流比降較壩體其他地方偏大，與探測(cè)結(jié)果符合。

上述說明計(jì)算模型邊界條件設(shè)置基本符合工程現(xiàn)狀情況。

圖4 高密度電法儀探測(cè)成果

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 滲流計(jì)算

根據(jù)擬定工況，對(duì)不同工況分別設(shè)置不同的上游水位，其中正常蓄水水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位為穩(wěn)態(tài)滲流分析，水位驟降工況采用瞬態(tài)分析。水位驟降工況的時(shí)間可根據(jù)水位庫容曲線和溢洪道及輸水涵洞的泄流能力確定，求得時(shí)間和庫水位的關(guān)系即可確定模型上游水頭與時(shí)間的關(guān)系[7- 10]。

各工況滲流計(jì)算結(jié)果如圖5～8所示：

圖5 正常蓄水位滲流比降云圖及浸潤線

圖6 設(shè)計(jì)洪水位滲流比降云圖及浸潤線

圖7 校核洪水位滲流比降云圖及浸潤線

圖8 正常蓄水位驟降至死水位滲流比降云圖及浸潤線

計(jì)算結(jié)果可以在云圖中直觀地了解大壩壩體內(nèi)部浸潤線、滲流矢量及各部位滲流比降的情況。大壩在擬定的工況下，計(jì)算得到的浸潤線溢均通過排水棱體，溢出點(diǎn)排水棱體中。從滲流比降云圖中可以看到，在穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算中，背水坡一級(jí)馬道附近紅色區(qū)域的滲流比降值較大，達(dá)到了0.58，其最大滲流比降均出現(xiàn)在壩體填土與排水棱體交接區(qū)域。

在水位驟降的瞬態(tài)工況中，由于校核水位、設(shè)計(jì)水位和正常蓄水位的水頭差較小，其瞬態(tài)計(jì)算云圖與穩(wěn)態(tài)計(jì)算基本相同，故不再列出，僅列出水頭變化較大的正常蓄水位驟降至死水位工況計(jì)算云圖。從云圖中可看出，由于水位的快速降落，使得壩體內(nèi)浸潤線快速下降，導(dǎo)致其最大滲流比降出現(xiàn)在壩體上部，最大比降為0.59。從計(jì)算的滲流矢量可以看到，壩體中的水一部分向下游滲出，另一部分水往上游壩坡反滲，使得浸潤線呈現(xiàn)上凸的形狀。因此，水位快速降落的過程中，壩坡靜水壓力迅速減小，加上滲透壓力的作用，上游壩坡易出現(xiàn)拉裂或滑落的危險(xiǎn)。

根據(jù)SL265- 2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，軟黏土出口段比降取值為0.60～0.70，結(jié)合地勘報(bào)告及水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，最大允許比降取值為0.60。在遭遇校核洪水位和正常蓄水位驟降至死水位的工況時(shí)，最大滲流比降接近允許比降，此時(shí)大壩滲流處于臨界狀態(tài)，容易出現(xiàn)滲透破壞。因此在高水位工況時(shí)，管理人員應(yīng)該加強(qiáng)巡視，密切關(guān)注大壩運(yùn)行狀態(tài)。

表2 滲流計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.2 穩(wěn)定計(jì)算

Geostudio中seep分析下新建slope分析，可將seep中滲流計(jì)算的孔隙水壓力疊加到slope壩坡穩(wěn)定計(jì)算中，無需重新輸入孔隙水壓力的相關(guān)數(shù)據(jù)即可對(duì)壩坡穩(wěn)定進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，土壩壩坡穩(wěn)定應(yīng)采用簡化畢肖普法計(jì)算。壩坡穩(wěn)定計(jì)算中，各巖土層采用Mohr-coulomb強(qiáng)度，滑移面采用自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑弧的方式確定。各巖土層計(jì)算參數(shù)取值見表3。

表3 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值表

將各工況下上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)列于表4，部分工況計(jì)算結(jié)果如圖9～12所示：

圖9 正常蓄水位驟降死水位最危險(xiǎn)滑弧

圖10 校核洪水工況最危險(xiǎn)滑弧

圖11 設(shè)計(jì)洪水工況最危險(xiǎn)滑弧

圖12 正常蓄水工況最危險(xiǎn)滑弧

工況類型背水坡迎水坡規(guī)范值正常蓄水工況1.3882.1661.30設(shè)計(jì)洪水工況1.3452.2531.30設(shè)計(jì)洪水位驟降至正常蓄水位工況/2.1001.30校核洪水位驟降至設(shè)計(jì)洪水位工況/2.2321.20校核洪水工況1.2942.3691.20正常蓄水位驟降至死水位工況/1.3651.20

計(jì)算結(jié)果表明，大壩在擬定工況下，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。從穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果中可知，大壩各工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，但正常蓄水工況及設(shè)計(jì)工況工況安全系數(shù)接近規(guī)范容許值，應(yīng)加強(qiáng)日常巡查。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)測(cè)的滲流量及高密度電法儀的探測(cè)結(jié)果，與Geostudio有限元計(jì)算成果對(duì)比，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相接近，說明其計(jì)算結(jié)果可靠，可應(yīng)用于同類型工程中壩坡滲流穩(wěn)定問題的求解；

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，大壩在各工況下，其滲流比降均小于容許比降。在上游水面附近區(qū)域及排水棱體處，局部滲流比降較壩體其他部位大，容易在局部出現(xiàn)滲流破壞；在一級(jí)馬道附近區(qū)域，其滲流比降較大，接近容許比降，且壩坡現(xiàn)狀該部位土體較為濕潤，存在一定的安全隱患；

(3)在排水棱體附近求得出溢比降和臨界比降必須要考慮模型的幾何形狀、有效應(yīng)力和土體剪切強(qiáng)度以及滲流流速。有時(shí)候計(jì)算所得的出溢比降為1，并不意味著會(huì)發(fā)生破壞或管涌等問題，這是由于在計(jì)算中，不同材料交界面由于材料屬性的突變，可能會(huì)使得表面的單元出現(xiàn)較大的突變值，建議取溢出點(diǎn)位置合理深度范圍內(nèi)的平均比降值做參考，而非出溢點(diǎn)位置的值。

[1] 張偉民. 土壩在水庫水位下降期的滑坡機(jī)理[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2004(08): 48- 50. [2017- 09- 17] ．

[2] GEO-SLOPE International Ltd. Stability Modeling with SLOPE/W[C]. 2007 Version An Engineering Methodlogy Third Edition March 2008.

[3] GEO-SLOPE International Ltd. Seepage Modeling with SEEP/W[C]. 2007 Version An Engineering Methodlogy Third Edition March 2008.

[4] 陳萬雄, 陳玉峰. 基于GEOSTUDIO分析吸力對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定的影響[J]. 山西建筑, 2017, 43(08): 71- 73．

[5] 孟凡雷, 蘇佩珍. 基于GeoStudio的土石壩動(dòng)力安全復(fù)核[J]. 水電能源科學(xué), 2010, 28(10): 53- 55.

[6] 程彬, 盧靖. 基于GeoStudio的邊坡滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析[J]. 山西建筑, 2010, 36(03): 146- 147. [3] 李飛. GeoStudio在水閘滲流計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 廣東水利水電, 2014(08): 21- 23．

[7] 徐云乾, 黃春華, 陸雪萍, 等. 高密度電阻率法在水庫壩肩滲漏隱患檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 無損檢測(cè), 2016．

[8] 彭方俊, 陳彥璋, 李健薄, 等. 置換洞對(duì)白鶴灘邊坡穩(wěn)定性的影響分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017(08)．

[9] 王連廣, 劉陽. 引水隧洞三維滲流場(chǎng)分析研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2014(04)．

[10] 宋曉明. 水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)及滲流分析[J/OL]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2015, 23(04)．