庫水升降對新疆阿勒泰地區某土石壩滲流影響的研究

宋興亮

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

土石壩是一種以當地土石混合料為主要筑壩材料的大壩，由于取材方便、造價低廉的優勢，世界各地都修筑有各種高度的土石壩，比如阿勒泰地區的小型土石壩修建得就比較多。與混凝土相比，土石混合體的耐久性、抗滲性等要遜色不少，所以土石壩滲流場受降雨、地下水和庫水升降的影響比混凝土壩更敏感，因為滲流誘發土石壩破壞、潰壩的案例也更多。在大壩的實際運行中，庫水水位在降雨、融雪融冰、蒸發和泄水的作用下會經常改變，庫水上升時，土體的含水率、飽和度會增加，同時抗剪強度和粘聚力會降低，大壩整體性和抗滑性會削減，而庫水下降時，土體孔隙水重新分布而改變壩體內力，壩體安全性同樣會受到削減[1-3]。探究庫水升降對土石壩滲流的影響具有一定研究意義，在這樣的背景下，開展了對新疆阿勒泰地區某土石壩滲流受庫水升降影響的研究。

1 非飽和滲流模型

本文在有限元軟件GeoS tudio的中建立了土石壩滲流模型，將模型劃分為若干網格單元，各單元之間通過節點連接，利用非飽和滲流理論求出各個單元的滲流方程，全部滲流方程聯立求出的數值解，就是模型的滲流結果[4，5]。

1.1 基本假設

一般地，建立基于以下三個假設來建立滲流模型：(1)任意單位體積土體的水頭損失一致；(2)任意過水斷面上的滲流量相等；(3)任意水力作用面上的滲流壓力相同。

1.2 滲流方程

達西定理是推導非飽和滲流方程的基礎[6]，滲流在各方向上的達西公式可表示為：

(1)

由質量守恒定律可知，由于土體內單位水頭損失造成的流量損失等于空隙釋放的孔隙水量，該過程可表示為：

結合達西定理可得非飽和滲流場的方程為：

1.3 邊界條件

確定滲流場的邊界條件就能求解壩體的滲流結果，邊界條件分為以下三類：

(1)水頭邊界，指的是模型邊界的是水頭壓力分布，考慮水頭的時變性，方程可寫為：h|Γ1=f(x，y，z，t)

2 工程概況

土石壩所在的庫區位于新疆阿勒泰山區，屬于小流域管理水利設施，主要用于當地農業生產用水的供給，庫區巖土結構分為兩層，下層以云母花崗巖為主，斷層裂隙發達且多為陡傾角，上層被厚度約為0.5～5 m的砂巖、礫巖覆蓋。當地年降雨分布不均，干旱和山洪暴雨頻發，水庫蓄水增減變化明顯，庫水水位變化對土石壩的影響不容忽視。

3 土石壩模型

圖1 土石壩二維模型

壩基網格采用四邊形單元劃分，壩體網格采用四邊形單元和三角形單元組合劃分，模型單元總數5 738，節點總數5 886。壩體材料物理參數如表1所示。

表1 壩體材料物理參數

4 計算結果

設置了不同工況來計算土石壩在定水位及庫水不同升降速率下的滲流結果。

4.1 定水位的滲流結果

土石壩在定水位下的孔隙水壓力分布情況如圖2所示，工況1、2的水位條件如表2所示。

表2 工況1、2的水位設置

如圖2所示，庫水水位越高，通過心墻的滲流量越大，孔隙水壓力等值線通過心墻后的下降程度越大，心墻抵御庫水入滲的效果越明顯，各工況下的心墻斷面流量依次為7.3×10-8m3/s、3.7×10-7m3/s。庫水水位越高，孔隙水壓力峰值越大，庫水下方基巖的孔隙水壓力也更高，而且各工況下孔隙水壓力峰值250 KPa、300 KPa均出現在大壩上游的基巖底部，土石壩發生管涌的可能性也隨水位的增高而加大，說明庫水水位越高，壩體穩定性越差。

圖2 不同水位下的孔隙水壓力分布圖(KPa)

4.2 庫水下降時的滲流結果

設定庫水水位從校核水位1 098 m降至正常蓄水位1 088 m為初始條件，設置工況3、4來計算庫水下降速率對滲流結果的影響，工況設置如表3所示。

表3 工況3、4的庫水下降速率

從圖3可看出，模型上游浸潤線均呈現出向上突起的形狀，壩體內自由水面的下降較庫水下降要滯后，庫水降速越快，滯后現象越明顯，浸潤線越彎曲。截至庫水下降完全時，工況3、4對應上游浸潤線凈高度降至3.3

圖3 壩體浸潤線變化圖

m、7 m，粘土心墻浸潤線凈高度也降至3.4 m、7.3 m，說明庫水下降越快，壩體和心墻排水越滯后，壩體表層孔隙水壓力消散速率較庫水下降速率越慢，浸潤線以下飽和土體對壩體產生的揚壓力越大，上游壩體越容易滑動、失穩。下游浸潤線在不同庫水下降速率下基本不變，庫水下降對其無影響。

4.3 庫水上升時的滲流結果

設定庫水水位從正常蓄水位1 088 m上升至校核水位1 098 m為初始條件，設置工況6來模擬庫水上升速率對滲流結果的影響，工況設置如表5所示。

表5 工況5的庫水上升速率

從圖4可看出，庫水從上游浸潤線和淹水壩面向土石壩內部滲透，不同時刻的上游浸潤線均呈下凹狀，庫水升速越快，浸潤線下凹越明顯，下游浸潤線依然不受庫水上升的影響。由于庫水是由低往高加載的，浸潤線以上的土體保持初始含水量，處于非飽和狀態，土體狀態在浸潤線的包絡下逐漸向飽和狀態轉變，這一轉變過程比較緩慢，導致壩體內部浸潤線高度相比庫水高度的上升出現了滯后，且庫水水位上升越快，其滯后越顯著。非飽和土體含水量的增減會不斷削減其抗剪強度和粘聚力，因此上游壩體的穩定性隨庫水上升不斷降低。當庫水上升完成并保持在校核水位直至第200天時，土石壩進入穩定滲流狀態。

圖4 壩體浸潤線變化圖

5 結語

對阿勒泰地區某土石壩在定水位及庫水不同升降速率下的滲流模擬結果表明：

(1)粘土心墻能有效阻擋庫水入滲，還能降低下游浸潤線。庫水降速越快，上游浸潤線的變化越滯后，壩體含水量分布越不均，引發的揚壓力越大，對壩體的穩定越不利。庫水上升越快，上游浸潤線下凹越明顯，庫水入滲越滯后，壩體受力越不平衡，其穩定性越差。

(2)由于缺乏三維模型所需計算資源，因此僅計算了土石壩二維模型的滲流結果，對土石壩孔隙水壓力、體積含水量及水力梯度的變化還需要進一步研究。