非穩定滲流場對黏土心墻壩壩坡及心墻穩定的影響分析

袁浩瀚 焦延濤

摘要：應用三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元法建立xx水庫樞紐區的三維有限元模型，對極端工況條件下（v=4.42m/d）壩體的非穩定滲流場進行了計算分析，結果表明1d內庫水位由校核洪水位驟降至汛限水位，不會對壩坡及心墻的穩定造成不利影響。

Abstract： The three-dimensional unsteady saturated-unsaturated seepage is used to establish a three-dimensional finite element model of the xx reservoir pivot area. The unsteady seepage field of the dam under extreme conditions （v=4.42m/d） is calculated and analyzed. The results show that the water level in the reservoir within one day is suddenly reduced to the limit water level by the check flood level， which will not adversely affect the stability of the dam slope and the core wall.

關鍵詞：三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元法;非穩定滲流場;壩坡

Key words： three-dimensional unsteady saturated-unsaturated seepage finite element method;unsteady seepage field;dam slope

中圖分類號：TV641;TV223? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0248-03

0? 引言

壩坡穩定是土石壩設計的一個重要組成部分。當庫水位驟降時，壩體內浸潤線高于坡外庫水位，較高的孔隙水壓力和滲透力會使上游壩坡具有下滑趨勢，甚至釀成滑坡事故[1-4]。據資料，土石壩占各類大壩總數的82.9%，在各種土石壩垮壩事故中，因滲漏原因垮壩的高達29.1%，其中因為水位驟升驟降引起的非穩定滲流問題最為嚴重[5]。有鑒于此，本文以xx黏土心墻壩為研究對象，應用三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元法對該黏土心墻壩在極端情況下（水位驟降速度4.42m/d）的非穩定滲流場進行了模擬分析，探討水位驟降對該壩壩坡穩定的影響。

1? 工程概況及基本資料

xx水庫位于xx省宜良縣湯池鎮曲者村附近擺夷河左岸一級支流白金龍箐下游河谷地段，水庫主要功能和任務是解決湯池鎮曲者、可保2個村委會的集鎮、農村人飲，同時兼顧下游灌溉。水庫工程規模為?。?）型，水庫設計洪水位1882.89m，校核洪位1884.31m。大壩為粘土心墻壩，大壩壩軸線設計全長為164.8m，大壩壩頂高程設計為1884.40m，大壩壩頂設混凝土防浪墻，防浪墻高1.2m，大壩壩頂設計寬度為5m。壩頂下游側設有路緣石，路緣石高出壩面0.2m，防浪墻和下游路緣石均采用C20混凝土。壩頂路面采用C30現澆混凝土路面，下設20cm厚碎石墊層。大壩典型剖面如圖1所示。

2? 三維有限元模型

2.1 計算模型范圍

以大地坐標（507080.895，2765817.504）為模型坐標原點;取垂直于壩軸線方向為X軸，X軸正方向指向大壩下游;取平行于壩軸線方向為Y軸，Y軸正方向指向大壩左岸;取豎直方向為Z軸，Z軸正方向向上。計算模型上游截取邊界為壩軸線向上游延伸約179m（X=-179m），下游截取邊界為壩軸線向下游延伸約172m（X=172m），左岸截至距離左壩端100m（Y=264.8m），右岸截至距離右壩端85m（Y=-85m），底邊界截取至高程1760m，頂邊界截至頂高程1884.4m。按照上述范圍建立大壩模型，離散后有限元網格結點總數為26183個，單元總數為24280個，三維有限元模型網格如圖2所示。

2.2 模型邊界條件

計算模型的邊界：①壩址區上游及下游水位淹沒線以下部分為給定水頭邊界;②壩址區上游及下游水位淹沒線以上與空氣接觸的部分為出滲邊界;③不透水邊界為模型四周及模型底面邊界。

3? 計算參數和時間步長的選取

3.1 計算參數選取

進行土壩的非穩定滲流計算時，除了需考慮材料的滲透系數外，還需要給定材料的給水度[5]。本文計算所需材料參數如表1所示。

3.2 時間步長確定

滲流計算中，時間步長的取值不宜過大也不宜過小，時間步長取的太小容易導致過大的累積誤差，而取的太大將會導致計算不易收斂[5]。經過試算，最終確定時間步長為0.25d，則水庫水位在24h內由校核洪水位1884.31m驟降至汛限水位1879.89m的水位下降歷時曲線如圖3所示。

4? 計算成果分析

采用前文所述的三維有限元模型，對xx水庫在水位降落速度為4.42m/d條件下的非穩定滲流場進行計算，計算得到壩體典型剖面Y=94.8m在0h、12h和24h三個不同時刻等勢線圖如圖4所示。

衡量庫水位降落影響的指標一般采用比值（k/（μv）為滲透系數，μ為介質的給水度，v為庫水位下降速度），此比值反映了介質孔隙中水體降落速度與庫水位降落速度之間的關系，也可以用于判別庫水位降落速度對壩坡穩定性的影響，當k/（μv）<1/10時，自由面下降極緩，屬于驟降;當k/（μv）>10時，孔隙水和庫水位同步下降，隨之泄盡，滲流對穩定性沒有影響;當1/10

4.1 壩殼滲流性態

從圖4可以看出，在庫水位降落過程中，上游風化料壩殼內的自由面基本與庫水位同高。風化料壩殼的滲透坡降很小，不會對上游壩坡穩定造成不利影響。而下游風化料壩殼內的自由面水位變化很小，壩殼內的滲透坡降也較小，不會對下游壩坡的穩定造成不利影響。

4.2 心墻滲流性態

心墻的滲透系數為1.00×10-8m/s，給水度為4×10-3，庫水位下降速度為4.42m/d，相應比值約為4.89×10-2，因此該水庫水位降落速度屬于驟降。在庫水位降落起始時刻（t=0），心墻上部的最大滲透坡降約為2.4，隨庫水位的降落，最大滲透坡降減小。庫水位降落至正常蓄水位1879.89m時，心墻上部的最大滲透坡降約為1.2。在庫水位下降過程中，心墻上部自由面較起始時刻（t=0）明顯平緩，但心墻內自由面最高點仍低于庫水位，即在水位下降過程中滲透力總是由上游指向下游且逐漸減小。因此，不會對心墻的穩定造成不利影響。

5? 結論

①在庫水位降落過程中，大壩上下游風化料壩殼內的滲透坡降均很小，不會對上下游壩坡穩定造成不利影響。

②在極端工況下（v=4.42m/d），粘土心墻上部的最大滲透坡降小于允許滲透坡降，且心墻內自由面最高點仍低于庫水位，即在水位下降過程中滲透力總是由上游指向下游且逐漸減小。因此，不會對心墻的穩定造成不利影響。

參考文獻：

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[2]王學武，許尚杰，黨發寧，等.水位驟降時的非飽和壩坡穩定分析[J].巖土力學，2010（09）：2760-2764.

[3]劉釗，柴軍瑞，陳興周，等.庫水位驟降時壩體滲流場及壩坡穩定性分析[J].西安理工大學學報，2011（04）：466-470.

[4]王資歡，張曉峰.庫水位驟降對黏土心墻壩壩坡穩定的影響分析[J].水利建設與管理，2016，36（09）：42-45.

[5]賈靜，沈振中，俞凱加，等.沖久水庫初次蓄水大壩非穩定滲流場特性分析[J].水電能源科學，2009，27（02）：65-67.

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