庫水作用下堆積體的流固耦合分析

何曉玉

（成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都 610059）

堆積體是第四系堆積作用形成的松散地層，通過水庫滑坡文獻的研究，發現85%的水庫滑坡是在水庫建成、蓄水階段或蓄水后前兩年發生。

水庫初期蓄水、庫水位變動對堆積體都有影響。通過三峽庫區水位波動與降雨的聯合作用特征，研究了蓄水初期的穩定性演化行為[1]；初次蓄水對壩體不利，流固耦合作用對土壩蓄水初期應力變形影響不可忽視[2]。大部分已有的研究成果關于庫水位變化對坡體地下水滲流場動態特征、穩定性影響，有助于滑坡體內孔隙水壓力消散，有利于降低水力梯度及提高穩定性[3-5]。庫水位上升滑坡體的滲流場及穩定性分析表明隨著庫水位的上升，邊坡穩定性系數先減小后增大[6，7]。

本文擬以紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體為例，應用GeoStudio，模擬和分析不同庫水位條件下堆積體的滲流場、位移，對其他工程庫水位變化與堆積體關系有一定的參考依據。

1 工程概況及監測

1.1 工程概況

紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體距右岸引水系統進水口250m 左右，距大壩618m。堆積體順坡長1620m，后緣高程1250m，前緣高程726.6m，相對高差523.4m，厚度24.9～128m，方量約2500 萬方，前緣直抵岷江。

1.2 監測水位、位移特征

水庫蓄水前（2005.09.30 以前），監測孔IN-02 穩定地下水位約為846m，IN-07約為887m。

水庫初期蓄水階段（2005.09.30～2006.08.15），監測孔穩定水位均高于庫水位，不受影響；庫水位變動階段（2006.08.15～2007.05.23），超過IN-02 穩定水位（約845m），庫水補給，IN-02 穩定水位隨庫水位的變動而變動，有滯后現象；庫水位未超過IN-07 穩定水位（約887m），故水位基本保持不變。

據現場監測，IN-02 在817m 水位時，x 方向位移數值為-0.53mm；由817m 上升到877m，x 方向位移為-10.85mm，指向坡內；由877m 下降到817m，x 方向位移為8.83mm，指向坡外。

1.3 地質概化模型

選取紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體剖面1-1＇作為計算剖面，進行單元網格劃分，模型見圖1。

圖1 堆積體1-1＇地質剖面概化計算模型

1.4 計算工況

以紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體為例，選取了3種計算工況。

工況一：蓄水前（水位高程760m）；

工況二：初期蓄水（760m 至817m）；工況三：庫水位變動（上升、下降）過程，上升817m 到877m；下降877m到817m。

2 成果分析

2.1 堆積體的滲流場分析

水庫蓄水前滲流場作為后續工況的初始條件。在760m，IN-02 模擬水位848.32m；IN-07 模擬水位882.9m；在817m，IN-02 模擬水位849.32m，IN-07 模擬水位884.3m，模擬與實測水位基本一致，表明模擬比較符合實際情況。

庫水位上升，地下水浸潤線抬升，靠地表附近地下水浸潤線48d、58d時近垂直于坡體，庫水位上升過程中浸潤線最大滯后7天；庫水位下降，坡體內的水流向坡外，地下水浸潤線下降，地下水浸潤線2d、12d、22d位置。庫水位下降到845m，交界處高程875m，表明下降過程浸潤線滯最大滯后30天，見圖2。

圖2 庫水位變動條件下邊坡迎水面浸潤線變動圖

2.2 堆積體的位移分析

水庫蓄水前的應力場看作初始，其位移為0。初期蓄水從0.78mm 到-0.88mm，表明位移指向坡內，如圖3。

圖3 不同工況下197節點x方向位移-時間等值線圖

庫水位上升時，x 位移等值線圖從右往左為8d、18d、28d，當庫水位825m，197 節點模擬x 位移為0.89mm；當庫水位835m，模擬x 位移為0.53mm；當庫水位845m，模擬x 位移為0.10mm，表明位移往x 負方向移動（坡體內移動）。庫水位下降時，x位移等值線圖從左往右依次2d、12d、22d，庫水位875m 模擬位移值2.66mm，庫水位865m 模擬位移值3.09mm，庫水位855m 模擬位移值3.57mm，表明位移往x 正方向移動（坡體外移動）。庫水位變動（上升、下降）情況下，模擬成果與實測成果吻合，如圖3。

3 結論

（1）水庫蓄水前，堆積體中的滲流對堆積體穩定性起決定性作用。初期蓄水，地下水浸潤線在庫水位淹沒部分有明顯升高。

（2）庫水位上升過程，靠地表附近浸潤線近垂直于坡體，地下水浸潤線最多滯后7天；庫水位下降，堆積體內浸潤線緩慢下降，最多滯后30天。

（3）初期蓄水及庫水位上升，x 方向位移指向坡內；庫水位下降x方向位移指向坡外。