库水位降落下某均质土坝饱和-非饱和渗流数值分析

□寇建卫 马 超 杨雯惠

某均质土坝，坝顶高程为852.0m，坝顶宽度为10m，最大坝高为66.0m。上游坝坡坡比为1∶2.75和1∶3， 下游坝坡坡比均为1∶2.7。正常工况下，上游正常蓄水位为848m，下游相应水位为798m。该大坝的横断面图见图1。坝体内设置水平褥垫排水。坝基岩体上部强风化带厚度为1.0～2.0m，强～弱风化岩体透水率q=10～35Lu的中等透水层厚度为10.0m左右，下部岩体岩体透水率q＜3Lu，可视为相对隔水层。

1.有限元模型与计算参数

1.1 有限元模型

计算坐标系规定如下：x轴为顺河流方向，从上游指向下游为正；y轴为垂直方向，竖直向上为正；坐标原点（0,0）取在模型的左下方。如图2所示。计算模型的范围选取：该均质坝最大坝高66m，在x方向，分别沿坝踵上游和坝址下游各取60m，约1倍坝高；在y方向，从坝底向下取80m，约1.2倍坝高。应用岩土软件GeoStudio软件中的SEEP/W模块采用三角形和四边形单元相结合剖分形式进行剖分。

1.2 计算参数

图1 大坝横剖面图

在考虑非饱和土的稳定、非稳定渗流场计算时，将坝体料的体积含水量函数和渗透系数函数采用Van-Genuchten模型进行拟合。见表1。

1.3 计算工况

研究库水位分别以速度v=0.1m/d和v=1m/d，历时分别为480d和 48d，从上游正常蓄水位848m下降到800m高程的稳定和非稳定渗流场。

2.库水位下降对饱和与非饱和渗流数值分析

通过有限元计算，将饱和非稳定渗流与非饱和非稳定渗流计算得到的浸润线进行对比。通过对比分析可以看出：饱和渗流与考虑非饱和因素的渗流浸润线有明显的区别，饱和渗流的浸润线靠近上游坝面处随水位面同步下降，曲线呈下凹趋势；考虑非饱和渗流的靠近上游坝面处浸润线也随水位面同步下降，但是曲线呈上凸趋势，且随库水位下降速度的增大，上凸趋势越明显。

工况一：库水位下降速度v=0.1m/d时，历时480d时，水位下降到800m高程。饱和渗流浸润线前端随水库水位同步下降，各时段浸润线随时间均匀变化，480d时水位已经趋于水平，随时间继续增加，直到580d时，浸润线基本没有发生变化，一直处在480d的位置。考虑非饱和影响时，随时间增加，浸润线靠近坝体上端部位逐步与上游水位趋于平行，水位下降580d时与考虑饱和影响计算的480d浸润线也基本一致。

图2 大坝有限元模型

表1 渗流计算所需参数表

工况二：库水位下降速度v=1m/d时，历时48d时，水位下降到800m高程。饱和渗流浸润线前端随水库水位同步下降，变化趋势与v=0.1m/d时一样，当历时48d时，水位已趋于水平，随时间的继续增加，直到580d时，浸润线与48d的基本没有发生变化。考虑非饱和影响时，0～11d左右，浸润线前端随水库水位同步几乎下降，逐渐与水位平行，从16d左右往后，随库水位下降和时间的增加，浸润线前端向下弯曲的程度越来越明显，浸润线最高点的下降速度也低于库水位下降速度，出现了较为明显的滞后现象。历时48d时，库水位下降到800m高程，而浸润线最高点高程库水位30.2m。随时间增加，浸润线最高点不断下降，前端坡度越来越缓，到达580d时水位趋于水平。

饱和渗流的浸润线靠近上游坝面处随水位面同步下降，曲线呈下凹趋势；考虑非饱和渗流的靠近上游坝面处浸润线也随水位面同步下降，但曲线呈上凸趋势，且随库水位下降速度的增大，上凸趋势越明显。饱和渗流坝体浸润线随库水位一起下降，不会发生浸润线滞后现象。而对于饱和-非饱和渗流，则发生浸润线滞后现象。