韓江峪黏土心墻土石壩滲流及壩坡穩定性分析

張 錄，王亮明，謝利云，劉 輝

(1.青海省水利水電勘測設計研究院，西寧 810007； 2.瑞和安惠項目管理集團有限公司，石家莊 050000； 3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000)

土石壩因具有就地取材、對地形地質及氣候條件適應性強、施工管理方便等特點已被廣泛應用。據國內外統計，土石壩失事事故約有40%是由滲流問題導致的[1]，因之導致的滑坡及滲透破壞甚為嚴重。因此，滲流分析及壩坡穩定性分析的可靠程度對土石壩的安全性具有重要影響。在土石壩內部滲流場中，浸潤線以下區域為飽和滲流，而浸潤線以上區域為非飽和滲流。但以往對土石壩的滲流分析多建立在飽和滲流基礎之上[2-3]，沒有考慮非飽和區的滲流情況，且在壩坡穩定性分析中較少考慮土體基質吸力的影響效應，導致分析結果與實際情況有較大差異。鑒于此，本文以飽和-非飽和滲流理論、非飽和土體抗剪強度理論及極限平衡分析法為基礎，采用有限元分析軟件GeoStudio中的SEEP/W及SLOPE/W模塊對韓江峪水庫黏土心墻土石壩進行滲流及壩坡穩定性分析，以期為類似工程土石壩的滲流計算及穩定性評價提供參考。

1 工程概況

韓江峪水庫位于洋河支流西洋河上，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養殖等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫。壩址以上控制流域面積2.34 km2，水庫總庫容131.09×104m3，死水位52.0 m，汛限水位61.5 m，正常蓄水位61.5 m，50年一遇設計洪水位62.59 m，300年一遇校核洪水位63.05 m。水庫樞紐工程主要由黏土心墻壩、溢洪道及放水洞等組成，建筑物級別為4級。其中，黏土心墻壩頂高程63.5 m，壩頂寬4.0 m，壩頂長279 m，最大壩高15.9 m。上下游面均于高程55.9 m處各設有寬1.5 m的馬道，上游面坡比自上而下依次為1∶2.5和1∶3.0，下游面坡比自上而下依次為1∶2.0和1∶2.5。大壩心墻底部設有黏土截水槽，下部強風化基巖層中進行帷幕灌漿，并深入相對不透水層2.0 m，大壩黏土心墻、黏土截水槽及壩基灌漿帷幕形成一個完整的防滲系統。大壩下游坡腳設有排水棱體，頂高程為49.5 m。壩基地質結構屬土巖雙層結構，上部為厚約5 m的砂壤土層，下部為黑云斜長片麻巖層。最大壩高典型橫斷面見圖1。

圖1 黏土心墻土石壩典型斷面(單位：高程為m，其余為cm)Fig.1 Typical section of clay core wall of earth rock dam (unit: height is m, and the rest is cm)

2 滲流計算分析

2.1 飽和-非飽和滲流模型

非飽和土體滲流同樣符合達西定律，但與飽和土滲流相異之處為非飽和區土體滲透系數是土體基質吸力的函數，往往隨空間位置而變化。由達西定律和流體運動連續性方程可導出二維非穩定飽和-非飽和滲流控制方程[4]為：

式中：kx(ψ)、ky(ψ)分別為X方向及Y方向的滲透系數函數；ψ為土體的基質吸力，即負孔隙水壓力；h為總水頭；γw為水的容重；mw為比水容重，定義為土水特征曲線斜率的負值，即：

式中：ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；θw為土體體積含水量。

可見，在穩定滲流問題中，若已知滲透系數函數及邊界條件，即可進行滲流計算。

2.2 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)，本文對黏土心墻壩穩定滲流期的水位組合情況進行滲流計算，具體工況如下：

1) 上游正常蓄水位61.5 m，下游無水。

2) 上游設計洪水位62.59 m，下游水位與河床表面齊平。

3) 上游校核洪水位63.05 m，下游水位與河床表面齊平。

2.3 計算模型及材料滲透參數

在GeoStudio軟件SEEP/W模塊中，根據大壩最大壩高橫斷面建立滲流有限元模型，見圖2。模型中，壩基范圍在順水流方向自坡腳各向上下游方向延伸1倍壩高的距離，在深度方向取至相對不透水層頂部。采用以四邊形為主的單元對計算區域進行網格劃分，網格單元邊長全局尺寸為1 m，對灌漿帷幕部分網格細化為0.5 m。

圖2 黏土心墻土石壩二維滲流有限元模型Fig.2 Finite element model of two dimensional seepage flow of clay core of wall earth dam

滲流有限元模型的邊界條件為：上游壩坡庫水位以下部分及庫底設為定水頭邊界，其值為相應工況庫水位高程值；排水棱體下游坡面為自由滲出面(Potential Seepage Face)；下游河床面為定水頭邊界，其值為相應工況下游水位高程值；其余邊界均為零流量邊界，即不透水邊界。

大壩各分區及壩基材料的飽和滲透系數根據室內試驗并結合類似工程經驗確定，見表1。由SEEP/W模塊內置的樣本材料土水特征函數和試驗測定的壩體材料飽和體積含水率算出相應材料的土水特征曲線，之后由土水特征曲線、材料飽和滲透系數及模塊內置的Fredlund-Xing模型[5]算出相應材料的滲透系數函數。壩體材料土水特征曲線及滲透系數函數曲線計算結果見圖3。

表1 大壩各分區滲透系數Tab.1 The permeability coefficient of each partition of the dam

圖3 壩體材料非飽和特性曲線Fig.3 The unsaturated characteristic curve of dam material

2.4 計算結果

應用SEEP/W模塊分別對3種工況下的大壩進行滲流求解，可獲得各工況大壩的浸潤線、網格節點水頭、節點流速、節點水力梯度、通過指定截面的滲流量等流場信息，可圖形化顯示結果。以工況Ⅰ為例，正常蓄水位作用下大壩浸潤線及總水頭等值線見圖4。滲流計算的主要成果見表2。由表2可知，隨著庫水位高程值的增加，大壩心墻出逸比降、大壩單寬滲流量及下游壩坡出逸比降均增大。

圖4 正常蓄水位作用下大壩浸潤線及總水頭等值線(單位：m)Fig.4 The dam infiltration line and the total head contour under normal water level (unit: m)

表2 大壩滲流計算主要成果Tab.2 Main results of seepage calculation of dam

3 壩坡穩定性分析

3.1 穩定性分析理論

非飽和土體Mohr-Coulomb抗剪強度公式為[6]：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(5)

式中：τf為土體抗剪強度；c′、φ′分別為土體有效黏聚力及有效內摩擦角；σ為法向應力；ua、uw分別為孔隙氣壓力及孔隙水壓力；φb為基質吸力內摩擦角。

本文穩定性分析基于極限平衡分析原理，采用考慮條間法向力及條間切向力的Morgenstern-Price法[7]，依據靜力平衡條件和非飽和土體Mohr-Coulomb破壞準則計算壩坡穩定性系數。

3.2 計算工況

穩定性分析的計算斷面及計算工況均與滲流分析相同，針對每一種工況，分別計算大壩上下游壩坡穩定性。

3.3 計算參數

大壩各分區土層及壩基材料的物理力學參數見表3。

表3 大壩穩定計算材料物理力學參數Tab.3 Physical and mechanical parameters of dam on stability calculation materials

3.4 計算結果

采用SLOPE/W模塊對各工況下大壩上下游壩坡進行穩定性分析，孔隙水壓力采用相應工況下的SEEP/W模塊滲流計算結果。以工況Ⅰ為例，正常蓄水位作用下大壩上下游壩坡最危險滑弧面見圖5，各工況下壩坡穩定安全系數計算結果見表4。由表4可知，各工況下大壩上下游壩坡穩定性均滿足規范要求。隨庫水位的增加，上游壩坡穩定安全系數逐漸增大。其原因為水體對上游壩坡的壓重逐漸增大，使上游壩體內部法向應力增強，加大了土體顆粒之間的摩擦力，從而更有利于壩坡的穩定；隨庫水位的增加，下游壩坡穩定安全系數逐漸減小，其原因為隨庫水位的升高，下游壩體內部浸潤線同時升高，指向壩坡外部的滲透力逐漸增大，使下游壩坡越不穩定。

4 結 論

綜上所述，本文得出以下結論：

1) 隨著庫水位的增加，大壩心墻出逸比降、單寬滲流量及下游壩坡出逸比降均增大。

2) 各工況庫水位作用下，大壩上下游壩坡穩定性均滿足規范要求。

3) 隨庫水位的升高，上游壩坡的穩定安全系數逐漸增大，而下游壩坡的穩定安全系數逐漸減小。