不同類型降雨聯合庫水位驟降黏土心墻壩壩坡滲透穩定數值模擬研究

陳 園

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 311231)

0 引 言

降雨與庫水位變化是邊坡失穩的重要誘因[1-4]，降雨與庫水位會使得邊坡內部的孔壓升降[5-6]，土體的強度參數因遇水而降低[7-8]，有效應力變化[9-10]，因此在最不利工況下會導致邊坡的失穩災害。對于降雨與庫水位聯合下的邊坡滲透穩定性研究，國內外已經有大量的研究成果。如王樂[11]利用Geo-studio軟件對降雨與庫水位聯合下的邊坡滲透穩定性進行了數值模擬研究；陳玉華[12]基于重慶奉節縣某滑坡的實測資料，對降雨聯合庫水位條件下的滲透穩定性進行了有限差分模擬；李炎隆等[13]利用Seep/w對秭歸縣八字門滑坡庫水位聯合降雨條件下的滲流特性以及穩定性進行了評價。但是以上研究僅僅考慮降雨發生在庫水位驟降結束時刻或者庫水位驟降開始時刻，沒有考慮降雨發生在庫水位驟降的不同時刻。實際上，庫水位驟降持續時間較長，而降雨發生的時間持續相對較短[14]，目前還未有文獻進行實際土石壩壩坡在庫水位驟降聯合降雨這種情況的相關研究。

本文利用Geo-studio軟件，以宜春市某黏土心墻壩為例，針對庫水位及不同類型降雨條件下的上下游壩坡滲流特性以及穩定性進行數值模擬評價，重點研究不同類型降雨發生在庫水位驟降的不同時刻，為該工程在不同工況下的滲透穩定性規律提供直觀的認識。

1 計算理論

1.1 非飽和理論

非飽和滲流的控制方程形式為[15]：

(1)

式中：kr為相對透水率；kij為飽和滲透張量；hc為壓力水頭；Q為源匯；C(hc)為容水度；θ為壓力水頭函數；n為孔隙率；Ss為單位貯水量。

1.2 非飽和抗剪強度理論

非飽和抗剪強度理論采Fredlund雙應力變量公式[15]：

s=c′+σntanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

式中：c′與φ′為有效強度參數；σn為法向總應力與孔隙氣壓力的差值；ua為孔隙空氣壓力；uw為孔隙水壓力；φb為由負孔隙水壓力而提高的強度。

2 計算模型與邊界條件

計算模型選擇以宜春市溫湯河四方井水利樞紐工程黏土心墻壩的典型剖面為例，四方井黏土心墻壩是一座以防洪、供水為主，兼顧發電等綜合效益的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。壩址以上控制流域面積約173 km2，工程初擬正常蓄水位152 m(黃海高程)，死水位125 m，壩頂高程156.20 m，最大壩高51.70 m，水庫總庫容約1.189 5×108m3。計算模型及模型網格見圖1。

圖1 計算模型及模型網格Fig.1 Computational model and model grid

在圖1(a)中，為減少邊界的影響，地基厚度選取50 m，長度為300 m，設置4個監測點，即上部1監測點(簡稱上1)，上部2監測點(簡稱上2)，下部1監測點(簡稱下1)，下部2監測點(簡稱下2)，用來監測各個工況下壩體內部的孔壓變化。其中，A點、B點分別位于上游壩坡的上部與下部，C點、D點分別位于下游壩坡的上部與下部。在圖1(b)中，整個模型一共劃分為4 235個單元，4 183個節點。

邊界條件如下：①bcde為庫水位邊界；②efgh為降雨入滲邊界；③hi為自由滲出邊界；④ab、ak、ijk為不透水邊界。

3 計算參數

黏土心墻壩的各分區參數根據野外勘測及室內試驗進行綜合確定，物理力學參數見表1，不同材料分區的土水特征曲線見圖2。

表1 壩體材料力學參數Tab.1 Mechanical parameters of dam materials

圖2 土水特征曲線Fig.2 Soil water characteristic curve

4 計算工況

為綜合研究庫水位驟降聯合降雨工況下四方井黏土心墻壩上下游壩坡的滲透穩定特征，根據水庫多年運行經驗，取庫水位驟降速率分別為0.5、1與1.5 m/d，結合不同類型降雨(平均型降雨、前鋒型降雨、中鋒型降雨和后鋒型降雨)進行相應計算，庫水位驟降耦合不同時刻不同類型降雨工況見表2，降雨時程曲線見圖3。

表2 計算工況Tab.2 Calculation conditions

圖3 降雨歷程曲線Fig.3 Rainfall history curve

5 計算結果分析

5.1 孔壓變化規律

不同監測點的孔壓變化規律見圖4。

由圖4可見，不同監測點的孔壓變化具有較大差異，這種差異在上游壩坡處的監測點與下游壩坡處的監測點的差異最為明顯。對于上游壩坡處的監測點來說，監測點的孔壓變化對不同類型降雨不敏感，僅上1監測點處在不同類型降雨發生在44～54 d時孔壓出現小幅的上升，總體孔壓仍然呈現隨庫水位持續下降的趨勢；對于下游壩坡處監測點來說，降雨發生在庫水位下降的不同時刻下孔壓均有一個大幅上升的過程，不同類型降雨使得孔壓達到最大的先后順序分別是前鋒型≥中鋒型≥平均型≥后鋒型，下游壩坡上部監測點(下1)不同類型降雨所達到的最大孔壓幾乎一致，下部監測點不同類型降雨所達到的最大孔壓值則不同，呈現前鋒型降雨≤平均型≤中鋒型≤后鋒型的規律。

5.2 安全系數變化規律

上下游壩坡安全系數的變化規律見圖5。

圖4 孔壓變化規律Fig.4 Variation of pore pressure

圖5 安全系數變化規律Fig.5 Law of variation of safety factor

對于上游壩坡來說，降雨發生在庫水位驟降時刻越后，最小安全系數越小；對于不同降雨類型來說，最小安全系數大小排序為后鋒型≤平均型≤中鋒型≤前鋒型，總體變化規律則較為類似。

對于下游壩坡來說，庫水位驟降下安全系數呈現一直上升的趨勢，在降雨時刻則有個突然下降的過程，不同類型降雨的峰值越前，最小安全系數出現時間越早。對于平均型降雨來說，降雨發生在44～54 d安全系數最小；對于前鋒型與后鋒型降雨來說，降雨發生在22～32 d安全系數最小；而對于中鋒型降雨來說，降雨發生在0～10 d安全系數最小。

6 結 論

1) 上游壩坡處的監測點孔壓變化對不同類型降雨不敏感，下游壩坡處監測點不同類型降雨下孔壓變化差異較大，降雨發生在庫水位下降的不同時刻下孔壓均有一個大幅上升的過程。

2) 不同類型降雨使得孔壓達到最大的先后順序分別是前鋒型≥中鋒型≥平均型≥后鋒型，下游壩坡上部監測點(下1)不同類型降雨所達到的最大孔壓幾乎一致，下部監測點不同類型降雨所達到的最大孔壓值則不同，呈現前鋒型降雨≤平均型≤中鋒型≤后鋒型的規律。

3) 對于上游壩坡來說，降雨發生在庫水位驟降時刻越后，最小安全系數越小；對于不同降雨類型來說，最小安全系數大小排序為后鋒型≤平均型≤中鋒型≤前鋒型，總體變化規律則較為類似。

4) 對于下游壩坡來說，庫水位驟降下安全系數呈現一直上升的趨勢，在降雨時刻則有個突然下降的過程，不同類型降雨的峰值越前，最小安全系數出現時間越早。對于平均型降雨來說，降雨發生在44～54 d安全系數最小；對于前鋒型與后鋒型降雨來說，降雨發生在22～32 d安全系數最小；而對于中鋒型降雨來說，降雨發生在0～10 d安全系數最小。