土石壩滲流與穩定性的數值模擬分析

嚴雷光

（寧波市鄞州區水利水電勘測設計院,浙江 寧波 315100）

0 引言

土石壩有著經濟效益好、抗震性能好、施工方便等優點,因此,在工程中普遍使用土石壩這種壩型。但在大壩建造使用的工程中還存在許多的問題如滲流、失穩等,這些問題是造成大壩事故的原因。對此研究者們做了相應的研究分析。陳祖煜［1］以土質邊坡作為研究對象,從邊坡的原理,方法和程序這三個方面入手著重分析了土質邊坡的邊坡穩定性；程鯤、王黨在等人［2］提出了將復合土工膜作為防滲材料加入土石壩中并使用數值模擬的方法對大壩進行了滲流分析；程學磊、崔春義等人［3］首次介紹了COMSOL Multiphysics軟件在巖土工程中的應用并給出了詳細的巖土工程算例；丁參軍、張林洪等人［4］基于國內邊坡穩定性分析的研究現狀詳細闡述了各種研究方法的基本原理和基本特點以及各種方法的適用范圍,并且針對性的提出了邊坡穩定性方法的研究趨勢；高驥、雷光耀等人［5］采用數值模擬的研究方式建立了飽和-非飽和滲流壩體的計算模型研究分析了堤壩飽和-非飽和狀態下的壩體穩定性；黃春娥、龔曉南等人［6］提出了一種新的方法計算滲流作用下的邊坡穩定性并將其結果與常用的方法進行了對比驗證；連鎮營、韓國城等人［7］全面研究了強度折減法在邊坡穩定性求解中的應用,得出了該方法具有良好的應用前景這一結論；在此基礎上,李廣波等人［8］詳細探討分析了使用應力分析、強度折減兩類不同的邊坡穩定性求解方法的相關細節并就計算結果進行了算例對比分析。

綜合上述研究,本文基于某實例工程使用COMSOL Multiphysics就鋪設土工膜后不同蓄水位時期的壩體滲流和穩定性進行了詳細的分析,并使用常用的理正軟件進行了對比驗證。

1 工程概況

1.1 地質情況

本研究選取咸陽市某水庫大壩工程作為研究對象。根據該實例大壩工程水文地質資料可得知該土石壩壩基和壩體填土分別為砂巖和砂礫巖,其計算參數見表1。本工程正常庫水位為920.3 m,死水位為890.0 m,通過計算發現需要27.5天可排放完所有水量。

表1 土石壩計算參數

1.2 上游壩坡處理

由于上游壩體坡面存在滑坡的危險,達不到滲透穩定的要求,因此本文對上游壩壩坡進行了土工膜鋪設處理,已達到防滲效果。根據當地提供的土工膜規格和規范處理要求本研究選取了300/0.6/300 的土工膜,其滲透系數為1.2×10-11cm/s。在建模過程中為了建模分析方便,將符合土工膜滲透系數等效為1.2×10-7cm/s,土工膜厚度取為6 m。圖1為土工膜等效后的大壩斷面示意圖。此處應當注意的是,土工膜對大壩的強度是沒有影響的,僅僅有防滲作用,即降低壩體內部的滲透水壓力使得壩體的安全性得到提高。在后續的穩定分析工程中無需考慮土工膜的作用,僅需要將滲流分析結果導入軟件后進行穩定分析。

圖1 土工膜等效后的大壩斷面示意圖

2 模型介紹

本節利用COMSOL Multiphysics 有限元分析軟件依據上述大壩資料建立了圖2所示模型。為使得計算分析結果更加準確,在對該二維模型進行網格劃分時需要注意網格類型選擇為標準大小的的用戶控制網格,圖3為劃分網格之后的壩體模型圖。

圖2 軟件中建立的幾何模型示意圖

圖3 壩體模型網格劃分圖

3 結果分析

3.1 滲流分析

圖4和圖5分別為大壩正常蓄水位穩定期滲流浸潤線和大壩庫水位降落期滲流浸潤線圖。由圖可知,兩種工況下計算得到的浸潤線位置均比較低,考慮到這是在上游鋪設土工膜作用造成的。根據西北水力報告規定的允許比降［Jp］=0.53,通過對比發現在正常蓄水位時,滲透最大位置在槽底部且最大滲透比降為2.23,壩體內部的最大滲透比降為0.25,是在允許范圍內的。因此不難得出該土石壩滲透性良好,不會發生破壞。當大壩的水位為庫水位降落期時,大壩上游的最大滲透比降為0.02,同樣滿足規定的要求。因此,在此種水位下土石壩的滲透性良好,不會發生破壞。

圖4 大壩正常蓄水位時滲流浸潤線

圖5 大壩庫水位降落期滲流浸潤線（t=27.5 d）

3.2 穩定分析

本節為進一步對大壩穩定性進行分析,對比研究了滲流穩定期、非滲流穩定期、施工期（竣工期三種不同工況下的最小安全系數。在各工況下壩體的穩定性對比結果見表2,由表2可知,大壩下游的最小安全系數均小于大壩上游的最小安全系數。

表2 大壩穩定性對比分

3.3 對比分析

由上述滲流和穩定性分析可知,在上游壩進行土工膜鋪設這一措施后使得大壩在正常蓄水位的浸潤線位置下降,在庫水位降落期浸潤線位置同樣下降但相比于正常蓄水位變動很小。因此,庫水水位的降落對上游壩坡的穩定性基本上是沒有影響的。此外,為了更進一步分析土工膜對大壩滲透穩定性的作用,本節詳細分析在庫水水位降落過程中的壩體變化特征。圖6~圖8為（t=27.5）庫水水位降落至死水位這一驟降過程中使用不同求解方法計算得到的下游壩體滑弧變化圖。

（1）工況一

圖6為采用總應力強度折減法計算得到的下游壩體滑弧示意圖。通過計算可以得到大壩的最小安全系數,其值為1.4,是符合規范要求。

圖6 總應力法求解下游滑弧示意圖

（2）工況二

圖7為采用有效應力強度折減法計算得到的壩體滑弧位置圖,且通過計算可以得到大壩的最小安全系數,其值為1.53,同樣符合規范要求。

圖7 有效應力法求解下游滑弧示意圖

（3）工況二

圖8為采用總應力與有效應力的小值組合強度折減法計算得到的壩體滑弧位置示意圖。并且通過軟件計算得到該方法的最小安全系數為1.28,符合規范要求。

圖8 小值組合法求解下游滑弧示意圖

綜上所述,三種不同計算方式的滑弧位置基本相同,且三種工況下的最小安全系數均比規范值要大,滿足規范要求。因此可以推斷在庫水水位在正常蓄水位和庫水水位驟降至死水位等情況下大壩的穩定性良好,即大壩是安全穩定的。

4 工程常用理正軟件分析

4.1 滲流分析

（1）計算模型

為了進一步分析大壩滲流穩定性,本節使用工程中經常用到的理正軟件對該大壩進行建模分析,根據上述大壩相關情況建立了圖9所示的大壩幾何模型。

圖9 理正軟件幾何模型

（2）結果分析

通過計算得到了正常蓄水位穩定滲流時期和庫水水位降落非穩定滲流時期的浸潤線圖,見圖10和圖11。由圖可知,兩種工況下的浸潤線位置均有所降低,考慮到這是鋪設土工膜造成的,這一現象與上述COMSOL Multiphysics軟件模擬結果一致。并且,在正常蓄水位時,壩體的下游最大滲透比降為0.05,這一數值小于上述3.1節給出的標準值,因此,在下游正常蓄水位穩定滲流時期是不會發生滲透破壞的。當庫水水位驟降到死水位時,即在庫水水位降落期間各時段上游壩坡的最大滲透比降為0.02。這一數值小于規范值,因此壩體滲透比降滿足要求,大壩不會發生滲透破壞。

圖10 正常蓄水位穩定滲流期浸潤線圖

圖11 庫水位降落期非穩定滲流浸潤線圖

4.2 穩定分析

（1） 計算模型

在進行滲透計算后將其滲透結果直接導入AutoBank 軟件可以進行壩體的穩定性計算。圖12和圖13分別為滲流穩定時期和庫水水位降落期間的穩定性計算模型。由圖可知,水位驟降后浸潤線明顯下降,這與上述現象一致。

圖12 穩定滲流期穩定性計算模型

圖13 水位降落期穩定性計算模型

（2）計算結果

表4中給出了大壩穩定性計算的三種不同工況計算結果。由表4可知,由于上游壩坡鋪設的復合式土工膜增大了壩體的滲透性使得各工況下的最小安全系數均大于下游壩坡的值。并且在各工況下的最小安全系數均滿足規范要求,即大于規范值。不難得出該土石壩穩定性良好這一結論。此外,本節還詳細給出了正常蓄水位、庫水水位驟降（死水位）、施工期等三種不同工況下的壩體上游和下游滑弧位置示意圖,見圖14~圖23。通過上述圖表可以發現在正常蓄水位、庫水水位降落期、施工期三種不同工況下的大壩壩坡的穩定性良好。

表3 大壩穩定性計算結果

表4 計算程序驗算對比表

圖14 正常蓄水位下游滑弧位置

圖15 正常蓄水位上游滑弧位置

圖16 有效應力法下死水位上游滑弧位置

圖17 有效應力法下死水位下游滑弧位置

圖18 總應力法下死水位上游滑弧位置

圖19 總應力法下死水位下游滑弧位置

圖20 小值組合法下死水位上游滑弧位置

圖21 小值組合法下死水位下游滑弧位置

圖22 施工期上游滑弧位置

圖23 施工期下游滑弧位置

5 結論

本研究通過數值模擬的方法分析了某實例大壩在通過將上游壩鋪設復合式土工膜之后的滲流穩定性變化,詳細分析了該壩體的滲流和穩定性安全,并通過常用的工程軟件理正進行了結果驗證。本文主要得到了以下幾條結論：

（1）上游壩坡鋪設復合式土工膜后,正常蓄水位、庫水位降落期的滲流浸潤線位置均有所降低；其中正常蓄水位浸潤線位置降低更加明顯；且土石壩在庫水位降落時期、正常蓄水位時期的最大滲透比降均小于規定值,大壩不會發生滲透破壞；

（2）總應力法、有效應力法、小值組合法計算得到的正常蓄水位、死水位等不同的工況下土石壩的最小安全系數均符合規范要求,壩體的穩定性均滿足要求,不會發生滑坡危險；

（3）通過工程常用的理正軟件計算得到的壩體滲流和穩定性結果與COMSOL Multiphysics 有限元分析軟件得到的結論完全一致,因此進一步證明了本文的正確性。