黏土心墻壩壩坡滲透穩定性敏感性分析

王 楠

(國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077)

水庫水位驟降對土石壩壩坡穩定性的有著重要影響[1- 2]，庫水位下降導致上游壩坡的水壓卸載，對邊坡的下滑抗力減弱[3]，同時，由于壩坡內部的孔壓“滯后”效應[4]，使得上游壩坡的下滑力加劇，導致上游壩坡的危險性進一步增大。壩坡失穩導致水工建筑物的永久損壞，嚴重威脅周邊居民的人身財產安全，所以，針對庫水位驟降下的滑坡滲透穩定性的研究的重要性則是不言而喻的。

對于庫水位驟降下的邊坡穩定性規律的研究較多，孫陽[5]對庫水位驟降下的高面板堆石壩面板脫空的影響規律進行了數值模擬研究，發現庫水位下降速率越大，面板脫空程度越大；齊小靜[6]利用有限差分軟件FLAC3d，基于強度折減法對庫水位驟降下的土石壩的失穩判據進行了研究；尹吉娜[7]考慮黏土的非線性及滲透特性，通過有限元法開展了壩體在水位變動下滲流場及穩定性研究；張繼勛[8]考慮了土工膜壩的土工膜缺陷的影響，利用Geostudio軟件對庫水位下降下的土工膜壩安全穩定性進行了分析。但是以上研究僅僅針對特定的工況或者特定的壩體材料參數進行分析，卻缺少對不同參數或者邊界條件變動下的穩定性敏感性的分析。

本文基于某黏土心墻壩，利用Geostudio軟件對壩體不同參數變動及不同庫水位驟降速率下的壩坡滲透穩定規律進行了模擬，利用正交試驗分析法對不同參數變動進行了敏感性分析，得到了影響壩坡穩定性的關鍵性因素的定量化排序，研究結果為認識庫水位驟降下的壩坡穩定性規律及災害的防治提供了一定的參考。

1 計算理論

1.1 非飽和計算原理

非飽和滲流微分方程為：

(1)

式中，kr—透水率；kij—滲透張量；hc—水頭；Q—源匯；C(hc)—容水度；θ—水頭函數；n—孔隙率；Ss—單位貯水量。

1.2 非飽和邊坡抗滑穩定理論

非飽和邊坡抗滑穩定理論如下所示：

(2)

1.3 正交試驗分析法

正交試驗法是基于數理統計方法，選擇具有代表性的工況進行敏感性分析的一種方法，具有均衡分散性和整齊可比性2大特點，可以較少的試驗次數反映事物的客觀變化規律[9]。

2 計算模型及邊界

2.1 計算模型

某典型黏土心墻壩正常蓄水位為152m，死水位125m，壩頂高程156.20m，最大壩高51.70m。計算模型及模型網格如圖1所示。

圖1(a)為本文的計算模型，由上游壓重，壩體，心墻，過渡層，排水棱體，壩基土及基巖組成。圖1(b)為本文的模型網格圖，心墻處進行了細化處理。一共剖分為3126個單元，3379個節點。

2.2 邊界條件

邊界條件設置如下：acf為庫水位驟降邊界，由正常蓄水位152m高程驟降至死水位125m高程；hij為自由滲出邊界；efgh為降雨入滲邊界，本文假設壩坡坡面不積水；jk、ab及ak為不透水邊界。

3 材料參數的設置

材料參數根據現場試驗綜合勘察確定，詳見表1。

4 正交試驗工況設置

影響壩坡穩定性的因素主要分內因與外因，其中內因包括材料的滲流力學特性，本文為方便計算，選取壩體材料中的黏聚力與內摩擦角2個參數參與正交試驗分析，考慮其空間變異性，黏聚力的變動范圍取為5.6～17.6kPa，內摩擦角的變動范圍為5.2°～10.6°。同時，諸如庫水位驟降及降雨是影響壩坡穩定性的關鍵性外因，本文也予以考慮，庫水位驟降速率根據多年的運行工況，變動范圍取為0.5～2m/d，而降雨強度，則根據多年的水文地質資料，選取范圍為0.01～0.04m/d，降雨天數平均設置為4d。

表1 壩體材料力學參數

由表2可見，在本文的計算工況下，降雨與庫水位(外因)的極差較之壩體材料參數的黏聚力與內摩擦角要小，說明對于一座粘土心墻壩而言，最重要的是保證壩體材料的高質量填筑，其中值得注意的地方是黏聚力的影響程度大小為0.49157，要略大于內摩擦角，而降雨強度的影響也達到了0.359，說明降雨強度對于壩體的影響也是不容忽視的，在雨季要加強大壩的巡查與排水力度，而庫水位因素則是影響最小的。綜合以上分析及敏感性結果，可以得出，影響黏土心墻壩的影響因素排序為黏聚力≥內摩擦角≥降雨強度≥庫水位驟降速率。

圖1 計算模型及模型網格

表2 敏感性分析正交試驗表

5 結論

本文通過正交試驗敏感性分析，發現了壩體材料的黏聚力與內摩擦角對于壩體穩定性的影響要大于降雨及庫水位等外部因素影響，說明對于黏土心墻壩而言，保證施工質量是壩體安全穩定運行的前提。運用正交試驗分析法，可以以較少的試驗次數反映事物的客觀變化規律，具有一定的指導作用，但正交試驗更偏向于理論計算，如何更好地將理論計算結果結合到工程實際安全當中，還需要開展進一步研究。