心墻壩不同結構特征穩定性變化分析

艾尼瓦爾·牙生

（新疆水利水電工程建設監理中心，烏魯木齊830001）

心墻壩是一種常用壩型，研究不同結構特征心墻壩的穩定性變化特征，具有重要研究意義。盧斌等［1］使用數值模擬方法，對庫水位變動工況下心墻壩滲流穩定性進行研究；郝麗娟等［2］以懷柔水庫為例研究不同水位心墻壩滲流穩定性；海燕等［3］分析鄧肯E-B模型參數影響心墻壩穩定性敏感性； 目前研究心墻壩穩定性的方法眾多，王倩［4］通過理論分析結合室內試驗的方法對心墻壩穩定性進行研究； 劉占濤［5］、張慧萍等［6］分別結合不同的工程實例使用數值模擬方法研究心墻壩穩定性情況；鐘啟明等［7］、吳翰麟［8］、張博等［9］使用理論計算方法對不同工程實例的心墻壩穩定性進行研究。本文結合已有研究成果，以新疆某心墻壩為例，對不同結構構造心墻壩的穩定性情況進行分析。

1 工程概況

該水庫大壩位于新疆自治區內，控制流域面積0.93km2，主要承擔防洪、灌溉作用，設計灌溉面積33hm2，總庫容2.59×106m3，屬于小（2）型水庫。設計大壩壩頂寬3.5m，上游邊坡系數為1∶2.5，下游邊坡系數為1∶2.2，水庫正常蓄水位300.2m，死水位292.1m，壩頂高程302.8m。

2 穩定性計算原理及數值模擬模型建立

2.1 滲流計算原理

本次使用geo-studio的seep/w模塊計算心墻壩的滲流穩定性。采用二維滲流原理如式（1）：

式中 H為滲壓水頭（m）；Q為邊界流量（m3/s）；kx，ky分別表示x，y方向滲透系數。

軟件自帶的摩根斯頓—普萊斯模型計算心墻壩穩定性，M-P模型計算原理參照文獻［11］。

2.2 數值模擬模型建立

根據壩體斷面，建立數值模擬模型并進行分區，數值模擬斷面如圖1。巖土各層物理參數如表1。

圖1 壩體斷面

表1 各土層物理參數

續表1

3 心墻壩結構影響壩體穩定性分析

使用控制變量法分析心墻構造對壩體整體穩定性的影響，即保持壩體形狀不變，分區（1）~（10）材料參數不變，改變（11）的參數和高度，使用數值模擬方法分析心墻結構、參數特征改變對心墻壩整體穩定性的影響。

3.1 心墻滲透系數影響分析

改變分區（11）套井黏土心墻的滲透系數，研究不同滲透系數對壩體穩定性的影響情況。設計5組滲透系數分別為：1.0×10-5，0.5×10-5，5.0×10-5，3.0×10-5，10.0×10-5cm/s。

geo-studio數值模擬計算結果如表2。

表2 心墻滲透系數對壩體穩定性影響結果

從表2可知，在其他影響因素不變的情況下，心墻材料滲透系數越小，壩體安全系數越高，心墻逸出高程越低，浸潤線逸出比降越大，滲流流速越小。綜合分析，心墻滲透系數越小，壩體越安全。選擇滲透系數為1.0×10-5cm/s較為合適，可降低工程投資，同時也可保證壩體的穩定性。

3.2 心墻高度影響分析

改變分區（11）套井黏土心墻的高度，研究不同心墻高度對壩體穩定性的影響情況。本次設計滲透系數為1.0×10-5cm/s，正常蓄水位下，5組不同的心墻高度為6，7，8，9，10m。壩體滲流穩定性計算結果如表3。

表3 心墻高度對壩體穩定性影響結果

續表3

表3可知套井心墻的高度增大，可明顯提升壩體的防滲效果，當心墻高度低于庫水位時，壩體穩定性情況較差。因此，在水庫正常運行期間，應當避免水位長期高于心墻高度。

4 庫水位變動心墻壩穩定性分析

4.1 庫水位上升心墻壩穩定性

研究庫水位從死水位上升至正常蓄水位時，心墻壩穩定性響應特征。

模擬工況為正常蓄水過程，庫水位從死水位上升至正常蓄水位的過程，心墻壩安全系數的數值模擬動態變化結果如圖2。

圖2 水位上升過程心墻壩安全系數

圖2可知，安全系數隨著水位變化是一個動態變化的過程，心墻壩穩定性情況較好，處于較為安全的情況。安全系數呈現出先減小后增大的變化情況下，表明水對心墻壩穩定性影響是雙向的，水位上漲初期，壩腳在庫水影響下，強度降低，安全系數降低，庫水逐漸上漲過程中，水壓力又可提高壩體的穩定性，對于提高壩體安全系數又具有一定促進作用。

4.2 庫水位下降過程心墻壩穩定性

研究庫水位從正常蓄水位下降至死水位時，心墻壩的穩定性響應特征。

當庫水位上升至正常蓄水位時，保持水位穩定7d，此時，壩體安全系數有所降低，從3.26降低至3.17，究其原因為：隨著庫水逐漸滲入壩體，壩體內部達到飽水狀態，壩體強度降低，穩定性系數會發生相應的變化，但安全系數仍處于相對較高的水平。之后模擬正常放水過程中，壩體的安全系數變化情況，如圖3。

圖3 水位下降過程心墻壩安全系數

由圖3可知，壩體安全系數先下降后上升，水位下降初期，壩體內部為飽水狀態，外部水壓力下降，壩體內部巖土體強度較低，水體向壩體外排泄，當水逐漸排出后，壩體穩定性又有所回升，恢復至正常的安全系數。

5 結語

（1）結合工程實例，通過數值模擬方法分析心墻構造對壩體安全性的影響。結果表明：心墻滲透系數越小，滲流流速越小、心墻逸出高程越低、浸潤線逸出比降越大、壩體安全系數越高；心墻高度越高壩體防滲效果越好，安全系數越高。

（2）使用數值模擬方法分析庫水位在上升、下降過程中，心墻壩壩體的穩定性變化情況。在水位上升、下降過程中，壩體安全系數均先下降后上升，上升初期水入滲導致壩體安全系數下降，水壓力又提升了壩體安全系數； 下降初期水壓力減小造成安全系數降低，壩體內部水排泄后安全系數將會提升。