水位驟變下土石壩非穩定滲流及穩定分析

李子陽 馬福恒 張湛 胡江 張磊

摘要：以庫水位驟變全過程為分析工況，基于非穩定滲流理論，考慮滲透系數與基質吸力之間的非線性關系，研究了典型土石壩工程的非穩定滲流場變化規律和滲透穩定性，并對壩坡瞬態抗滑穩定系數進行了計算。結果表明：水位驟變過程中，壩體處于非穩定滲流狀態，浸潤線呈突起彎曲狀并不斷變化，且水位變化速率越快，彎曲越明顯;水位驟升階段，非穩定滲流場等勢線整體向上游偏移，對應大壩典型部位的滲透坡降明顯大于該水位時穩定滲流場的，且水位上升速率越大，滲透坡降越大，超過允許滲透坡降時可能發生滲透破壞;上游壩坡在非穩定滲流階段的瞬態穩定安全系數變化較大，水位升高對其穩定有利，水位驟降超靜孔隙水壓力來不及消散，形成反向滲流，壩坡穩定性降低明顯，且水位下降速率越大，穩定性越低。

關鍵詞：水位驟變;土石壩;非穩定滲流;瞬態穩定

中圖分類號：TV641.2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01.024

近年來受全球氣候變化影響，區域性極端氣候事件頻發，旱澇災害發生的強度與頻率不斷增加。如受強厄爾尼諾影響.2016年汛期多地短時強降雨顯著增加，尤其是北方干旱地區多處遭遇歷史罕見降雨。對于水庫而言，旱澇災害和旱澇急轉帶來庫水位的快速變化，庫水驟升的快速浸水和庫水驟降的反滲流作用極易導致壩體滲透破壞和壩坡失穩[1]。旱澇災害條件下，壩前水位處于較快變化狀態，壩坡內外水分的相互補給使壩內滲流場不斷變化，呈現出明顯非飽和非穩定滲流特征[2]。當庫水位驟降時，壩內孑L隙水壓力不能很快消散，在滲透力的作用下上游壩坡呈下滑趨勢，對上游壩坡穩定不利，約600/0的水庫滑坡發生在庫水位驟降期。已有研究[3-8]針對庫水位驟降情況下土石壩滲流、穩定性的較多，主要基于非飽和滲流理論分析壩坡穩定性，獲取壩坡穩定安全系數與庫水下降速度、滲透系數之間的關系等。BERILGEN M M等[3-6]針對典型均質壩和黏土心墻壩，研究了不同庫水降落條件下壩體的滲流狀況和壩坡穩定性，結果表明庫水位驟降引起壩坡安全系數降低，之后隨著超靜孔隙水壓力的消散，壩坡穩定性逐漸增強：庫水降落速度越快，壩坡安全系數越小。廖紅建等[7-8]進一步考慮滲透系數的影響，研究了庫水降落速率、壩體（邊坡）滲透性與穩定性之間的變化規律，指出在水位降落情況下，隨著滲透系數的減小抗滑穩定安全系數明顯降低。庫水驟升的快速浸水也是滲透破壞形成的主要原因，王剛等[9-10]針對水位驟升階段土石壩的滲流穩定問題進行了初步探討，但缺少庫水位驟變全過程土石壩滲流穩定和壩坡穩定的影響分析。

本文以典型土石壩工程為例，采用非穩定滲流有限元分析方法，考慮土體滲透系數與基質吸力之間的非線性關系模擬非穩定滲流影響，對不同庫水位變化過程的典型水庫大壩非穩定滲流和壩坡抗滑穩定性進行了分析，得到了庫水位驟變全過程的土石壩滲流和穩定變化規律，指出水位驟升階段應注意關鍵部位的滲透穩定性，水位驟降階段應注意上游壩坡的抗滑穩定性。

1 非穩定滲流微分方程

土體滲流計算的基本方程——達西定律表達方式為

v=ki

（1）式中：v為滲流速度;后為滲透系數;i為水力坡降。

達西定律最初由飽和土滲流得到，同樣適用于非飽和土滲流，區別就是非飽和土的滲透系數不是常數，而是隨含水量（或基質吸力）變化的。

2 計算模型及參數

某水庫位于淮河流域，大壩為均質土壩，壩頂高程110.40 m，最大壩高24 m。水庫正常蓄水位103.00 m，死水位97.50 m，汛限水位102.00 m，校核洪水位109.50m。根據大壩典型剖面繪制滲流計算有限元網格，見圖2，其中單元數1 380個、網格節點數1 472個。

土體滲透系數依賴于土體中的含水量，對于非飽和土，空氣充填孔隙，水的滲流路徑變得更加曲折，從而導致土的滲透系數減小。體積含水量是基質吸力（負的孔隙水壓力）的函數，對于非飽和滲流，需定義滲透系數隨基質吸力變化的曲線[7]。由于采用試驗手段獲得非飽和土的滲透系數比獲得土一水特征曲線要復雜得多，因此采取土一水特征曲線預測滲透系數。根據試驗數據并結合樣本函數，選取大壩各材料的土一水特征曲線，見圖3.大壩主要物理力學參數見表1，其中土料強度指標采用摩爾一庫侖強度準則計算，砂石料強度包線考慮其非線性特性。

3 計算工況

工程所在區域2014年汛期經歷特大干旱，結合工程所在地區的水文特征，計算工況選取考慮庫水位變化的極端情況和旱澇急轉的全過程，并考慮水位驟變速率的影響。工況1：以庫水位為死水位97.50 m并形成穩定滲流為初始狀態.Sd內從死水位升至校核洪水位109.50 m（變率為2.4 m/d），待校核洪水位形成穩定滲流后，3d內快速降落至汛限水位102.00 m（變率為2.5 m/d），至汛限水位形成穩定滲流結束。工況2：以庫水位為死水位97.50 m并形成穩定滲流為初始狀態，2d內從死水位升至校核洪水位109.50 m（變率為6.0 m/d），待校核洪水位形成穩定滲流后，1 d內快速降落至汛限水位102.00 m，至汛限水位形成穩定滲流結束。采用分析方案見表2，計算軟件采用Auto-bank7.43 n

4 計算結果分析

4.1 滲流浸潤線分析

（1）水位驟升。庫水位驟升典型時刻壩體浸潤線見圖5（a）和圖5（c）。可以看出，隨著庫水位上升，壩體浸潤線高度逐漸上升。水位驟升期，水位上升較快，壩體填土滲透性較弱，穩定滲流浸潤線以下部分區域未能及時達到飽和，浸潤線呈現明顯向上游凸起的狀態。壩體內非穩定滲流的浸潤線在初始穩態浸潤線以上部分彎曲明顯，且水位上升速度越快，彎曲曲率越大，隨著水位上升趨于穩定，彎曲曲率逐漸趨于平緩，反映出明顯非穩定非飽和滲流特征。而排水砂帶之后的浸潤線，由于排水砂帶的強透水性，因此水位驟升期變化很小。

（2）水位驟降。庫水位驟降典型時刻壩體浸潤線見圖5（b）和圖5（c）。可以看出，隨著庫水位下降，壩體浸潤線高度逐漸降低。水位下降較快，壩體填土的持水性導致壩體內水來不及完全排出，浸潤線下降速度低于水位的下降速度，壩體同樣存在非飽和區，使得浸潤線前半段呈上凸狀，且隨著庫水位降低程度和速率的增大，彎曲更為明顯。該狀態下，上游壩體內孔隙水壓力來不及隨著庫水位靜水壓力的降低而完全消散，上游壩坡一定范圍內形成“逆流”，不利于上游壩坡的穩定。隨著庫水位的逐漸穩定，超靜孔隙水壓力消散速度加快，浸潤線向下彎曲的程度減弱并逐漸趨于平緩。同樣的，排水砂帶之后的浸潤線在水位驟降期變化較小。

4.2 滲流穩定分析

大壩在初始時刻死水位97.50 m（時序0）、校核洪水位109.50 m（時序6）、汛限水位102.00 m（時序10）等典型時刻的穩定滲流場等勢線分布見圖6。可以看出，排水砂帶之前壩體已消減水頭600/0以上。較高水位情況下，壩體填土與下游壩殼料（排水砂帶）的接觸部位等勢線分布最為密集，是大壩最大滲透坡降的發生部位：大壩上游壩腳的鋪蓋部位土體較薄，且壩基為砂層地基.是發生滲透破壞的關鍵部位。

大壩在校核洪水位109.50 m時上、下游水頭差最大，對應的壩體滲透坡降最大，對大壩滲流穩定最為不利。不同工況下庫水位驟變至校核洪水位時刻大壩非穩定滲流場等勢線分布見圖7（其中工況1-5表示工況1時序5，工況2-5表示工況2時序5）。從滲流場可以看出，水位驟升速率越快，形成的非穩定滲流區域越大，滲流薄弱部位等勢線分布越密集，對滲流穩定越不利。

進一步計算兩個薄弱部位（壩體填土與壩殼接觸部位和上游壩腳鋪蓋）不同工況各時刻滲透坡降的變化，見圖8。在水位驟升階段，滲透坡降均隨著水位升高而增大，至校核洪水位時，滲透坡降達到最大值，見表3。

進一步比較滲透坡降大小，在水位驟升達到最高水位時的非穩定滲流階段，大壩典型部位的滲透坡降明顯大于處于該水位的穩定滲流場的滲透坡降：水位上升速度越快，滲透坡降越大。結合等勢線分布（見圖7）可以看出，相比同水位下的穩定滲流場，非穩定滲流場的等勢線整體向上游偏移，且對應庫水位上升速度越快等勢線向上游偏移量越多。主要原因是，水位驟升階段下游壩坡排水砂帶滲透水頭變化滯后明顯，所形成的滲壓水頭全部由上游壩坡承擔。同樣的，在水位驟降階段，大壩滲透水頭的降低也有一個滯后期。

參照規范和類似工程經驗，取土體允許滲透坡降為0.5。若排水砂帶反濾保護不良，則土體在接觸部位可能發生滲透破壞，造成砂帶淤堵、壩體裂縫等;若壩基砂層級配不良，則上游鋪蓋可能發生滲透破壞，造成鋪蓋防滲失效、壩基管涌等。

4.3 瞬態抗滑穩定分析

基于非穩定非飽和滲流分析計算不同時間壩體孔隙水壓力分布，導人孔隙水壓力計算結果進行壩體上、下游壩坡的瞬態邊坡穩定分析。依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001），采用簡化Bishop法計算得到邊坡抗滑穩定安全系數隨時序變化曲線，見圖9。

（1）上游壩坡。在時序0，上游壩坡抗滑穩定安全系數為1.608。水位驟升階段，上游壩坡由于水壓的有利影響，邊坡抗滑穩定安全系數隨水位上升逐漸增大，且水位上升越快，安全系數增大越多：至校核洪水位形成穩定滲流狀態時，安全系數達到最大的1.872。水位驟降階段，上游壩坡壩體內孔隙水壓力來不及消散，上游壩坡形成反向滲流，導致壩坡穩定性降低，計算得到的上游壩坡抗滑穩定安全系數隨庫水位下降減小明顯，且水位降低越快，安全系數下降越多，最小安全系數越小：之后隨著不穩定滲流逐漸趨于穩定，壩體內超靜孑L隙水壓力逐漸消散帶來有效應力增大，安全系數逐漸穩定，并有所增大。

（2）下游壩坡。在時序0，下游坡壩體浸潤線最低，下游壩坡抗滑穩定安全系數最大為1.387。水位驟升階段，下游壩坡受浸潤線抬高、滑動體內孔隙水壓力增加影響，邊坡抗滑穩定安全系數有所減小，但由于下游壩坡浸潤線抬高不明顯，因此減小幅度不大。至校核洪水位形成穩定滲流狀態時，下游壩坡浸潤線最高，安全系數降到最小的1.206。之后，在水位驟降階段，隨著浸潤線的降低，安全系數逐漸增大。受砂帶排水作用影響，下游壩坡浸潤線在庫水驟變期間變化不明顯，庫水變化速率對下游壩坡穩定性影響不大。

5 結論與建議

（1）土石壩在庫水位驟變條件下，壩體存在非飽和非穩定滲流區。水位驟升階段，相比同水位下的穩定滲流場，非穩定滲流場的等勢線整體向上游偏移，且對應庫水位上升速度越快，等勢線向上游偏移量越多。相應地，非穩定滲流場大壩典型部位的滲透坡降明顯大于該水位時穩定滲流場的，水位上升速度越快，滲透坡降越大，超過允許滲透坡降時可能發生滲透破壞。

（2）壩坡瞬時抗滑穩定分析表明，上游壩坡在水位驟升階段，邊坡抗滑穩定安全系數隨水位上升逐漸增大;在水位驟降階段，上游壩坡形成反向滲流，壩坡穩定性降低明顯。下游壩坡抗滑穩定安全系數主要受下游壩坡浸潤線變化影響，水位驟升階段，受浸潤線抬高、滑動體內孔隙水壓力增大影響，邊坡抗滑穩定安全系數有所減小;水位驟降階段，隨著浸潤線的降低，邊坡抗滑穩定安全系數逐漸增大。

（3）庫水位變化速率對壩坡穩定性也有重要影響。對于上游壩坡而言，水位上升對上游壩坡穩定有利;水位驟降對壩坡穩定不利，且水位下降速率越大，上游壩坡穩定性降低越快，最小安全系數越小。受砂帶排水作用影響，庫水變化速率對下游壩坡穩定性影響不大。

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