库水位变化下土石坝非稳定渗流场影响分析

李 婧

(大兴安岭地区行署水务局，黑龙江 大兴安岭 165000)

库水位变化下土石坝非稳定渗流场影响分析

李 婧

(大兴安岭地区行署水务局，黑龙江 大兴安岭 165000)

土石坝是当今水利工程设计中最普遍的坝型之一，防渗体系的构建显得尤为重要，目前发生的工程事故起因多是坝体和坝基的渗漏破坏导致。在大坝渗漏破坏导致的安全事故中，以蓄水期库水位升降从而引发的非稳定渗流问题最为突出，多起溃坝事故发生原因是初次蓄水速度选取不当而引起。故在实际工程中，进行非稳定渗流场分析研究十分必要。文章结合工程实例，对土石坝进行渗流场与应力场耦合分析，通过与非耦合情况的计算结果对比，表明进行渗流场与应力场的耦合分析是贴合工程实际的。

土石坝；渗流场；库水位；变化；影响

1 绪 论

土石坝是现在实际工程中应用最为广泛的坝型，土石坝的渗流场是由饱和区和非饱和区组成的统一体。土石坝的渗流场由饱和区和非饱和区共同组成[1]，二者相互制约又相互联系。影响因素诸多，降雨量、水位的变化等均能改变饱和区和非饱和区的作用区域，理论上单独对非饱和区的渗流研究更能反映工程实际，假如单独进行饱和区的渗流分析，直接加大了计算难度，伴随着有时计算陷入死循环难以求解。

影响非饱和渗流运动的因素众多，且形态也较复杂，比如固、液、气三种不同形态、温度、体积比、压强和空气压力等，从力学角度范畴将这是多因子相互作用的共同结果，也是相互耦合的受力变化过程。目前国内随着多年的研究发现，对于非饱和渗流参数的确定至关重要，参数的确定才能计算分析得出非饱和渗流的渗流场分布规律[2]。为使更加密切联系工程实际，并为工程设计运行提供正确合理的理论依据，足以见土石坝饱和-非饱和渗流场的数值模拟分析的重要性。

2 库水位升降对饱和-非饱和渗流的影响

一般情况下，均质土坝库水位的变化分为上升和下降。目前主要针对库水位下降时坝体的渗流场进行研究，水位下降时可分为三种流态：骤降、缓降、二者之间的降落[3]。库水位的变化直接影响到浸润线的分布位置和升降速度，决定因素一般有三个：土石坝的渗透系数k、库水位升降速度V、土体的给水度μ。国内外多位专家学者在大量实验结果基础上一致认为k/μV理论上更加接近于标准值。k/μV理论上表示为土体孔隙中水质点与库水位的下降速度比值关系。当k/μV→0，表明库水位下降时大坝内的自由面保持一致，这是骤降阶段；当k/μV→∞表明库水位下降速度和坝体内自由面下降速度保持一致，这是流态中的缓降阶段，此时认为大坝的土体孔隙水压力消失迅速，坝体的安全稳定性无从影响。国内的专家毛昶熙[4]得出更为具体的定义要求，在均质土坝上游坝体不利于排水时，定义骤降为k/μV<1/10，大坝的自由面总水头可维持在90﹪，坝体内浸润线可视为维持原状，此种情况将会威胁到上游坝坡的安全稳定性；定义缓降为k/μV>60，大坝自由面总水头值保持在10﹪以下，此时基本没有影响到上游坝坡的安全稳定性；当1/10

2.1 孔隙水压力

非饱和土中的孔隙压力分为气压力和水压力，二者相互作用影响土的力学性质。在没有排水要求的前提下，孔隙中的水和气体禁止流出，此时荷载施加后产生的总应力分别作用于土体、孔隙气压力和水压力，各自的压缩性决定受力大小。土体颗粒本身的压缩是微乎其微的，而孔隙气压力和水压力的压缩量变化随着非饱和土的压缩而增大。定义因压缩而增加的孔隙水压力为超孔隙水压力。

孔隙水压力的产生一般分为两种情况：

1)渗流场单一的由水的自重荷载形成，此时的孔隙水压力为静孔隙水压力，具有的力学特点是土体的整体结构维持原状，孔隙水压力可直接由非稳定渗流场的分析计算得出。

2)作用在土体上的外部荷载所形成的孔隙水压力，换言之每个土体受力单元上应力发生变化形成的。此时的在受压大，渗透系数较小的土体中存在孔隙水压力。

在对坝体的渗流过程进行影响分析时，孔隙水压力和时间变化是线性关系，一般情况下在地下水流动和大坝渗流，孔隙水压力可认为是静孔隙水压力；由于坝体的渗流作用固结产生的孔隙水压力可认为是超静孔隙水压力。

2.2 边坡稳定性分析

目前比较成熟的边坡稳定分析方法：极限平衡法、有限单元法、塑性极限分析法等。通过大量的试验结果对比，在工程中采用极限平衡法得出的分析结果更符合实际本身。上述各研究方法的初始拟定条件、适用范围各不相同，会导致结果的计算精度有较大差异。经过对比分析决定文章采用的是Morgenstern-Price法。

3 工程实例

建于中国西南地区的某均质土坝，主要功能是调蓄和灌溉，兼以发电功能，大坝坝顶长度505.0m，坝顶高程854.0m，最大坝高68.0m。上、下游坝坡比为1∶3、1∶2.75。该坝的最大横剖面图[5]见图1。大坝内排水为水平褥垫方式。基岩上部为强风化层，基岩下部岩体为相对隔水层。

1)研究对象：库水位在不同下降速度下，水位高程从正常蓄水位850m下降到805m的非稳定渗流场。

2)初始条件设置：在正常蓄水位850m时的稳定渗流场为初始条件。

3)边界条件设置：定义坝体的上、下游侧面和坝体基岩面为不透水边界；定义总水头函数在上游面坝体高程850m的坡面上，库区水位的均匀下降速度设定两种工况0.1m/d和1m/d；定义在坝体下游面803m高程的坡面处定水头边界88m保持不变[6]。

图1 大坝横剖面图

3.1 浸润线变化分析

饱和状态和非饱和状态下的非稳定渗流场浸润线位置变化图如图2-5所示。

图2 饱和状态下下降速度v=0.1m/d时浸润线变化图

图3 非饱和状态下v=0.1m/d时浸润线变化图

图4 饱和状态下v=1m/d时浸润线变化图

图5 非饱和状态下v=1m/d时浸润线变化图

从计算结果可明显得出，饱和渗流和非饱和渗流的浸润线位置明显不同，前者的浸润线呈下凹趋势，且与库水位面的下降保持同步；考虑非饱和渗流反之呈上凸趋势，下降趋势与库水位下降同步，但随着库水位下降速度的增大，这种趋势愈发突出。

1)工况一：库水位下降速度v=0.1m/d时，水位从850m下降到805m历时480d时。饱和状态下的浸润线位置与库水位下降同步，曲线随时间均匀变化，逐渐趋于水平。非饱和状态下的渗流场浸润线随着时间的推移，靠近大坝上游面的浸润线与上游水位逐渐趋于平行，当v=0.1m/d时效果更为明显。

2)工况二：库水位下降速度v=1m/d时，水位下降到805m高程历时48d时。饱和渗流的浸润线位置变化与v=0.1m/d时分布规律一直，水位逐渐趋于水平，之后随时间的增加浸润线不再出现波动。在非饱和非稳定渗流场中，开始下降时浸润线位置前端与库水位下降保持一致，慢慢和水位齐平。而后浸润线凸起的状态愈发明显，最高点的下降速度明显低于1m/d，明显的滞后于水位下降速度。

由计算结果的趋势分布分析，饱和与非饱和渗流时浸润线位置和库水位变化是同步的，提前或滞后的现象不会发生[7]。同时可推算库水位下降速度越大，浸润线变化在相同时刻，靠近上游面部位的弯曲程度将越明显，凸起的趋势也将越大；最终和下降速度1m/d时曲线分布规律一致，也可得知在非饱和非稳定渗流中，在非饱和因素影响下土体孔隙水压力消散时间更长，故浸润线相比饱和渗流趋于水平时消耗时间更多。

3.2 孔隙水压力变化分析

在进行非稳定渗流分析时，可得出各时刻各点的孔隙水压力分布曲线。因饱和渗流中孔隙水压力是维持不变的，文章着重计算非饱和区的孔隙水压力并形成压力分布曲线图。在库水位下降速度1m/d时为例，历时7d,16d,30d,97d,时饱和-非饱和渗流的孔隙水压力分布曲线图，结果如图6-9所示。

图6 下降速度1m/d历时7d时的孔隙水压力分布

图7 下降速度1m/d历时16d时的孔隙水压力分布

图8 下降速度1m/d历时30d时的孔隙水压力分布

图9 下降速度1m/d历时97d时的孔隙水压力分布

计算结果如图示，浸润线位置为孔隙水压力大小为零时的曲线。历时7d后，非饱和区为浸润线以上区域，孔隙水压力均为负值，愈靠近下游面绝对值越大，最大值200kPa。浸润线以下的孔隙水压力与计算深度呈线性关系，最大值1000kPa。历时30d后库水位下降到设计高度，最大孔隙水压力降低为800kPa后保持不变。随着库水位下降的时间效应，浸润线位置不断下移，土体的非饱和区域不断加大。

分析原因是库水位下降时大坝的上游面与下游面始终有着水头差，不断保持着水流从大水头向小的部位流动。库水位的下降速度过快导致大坝孔隙水压力消散不完全，在上游面失去水压的部位水流会迅速溢出大坝，致使坝体自身的孔隙水压力明显高于上游面，导致浸润线产生最高点，曲线分布也呈上凸形式，左、右两侧坝体内部的水流形态将不同。随着库水位下降的时间效应，浸润线位置不断降低，最高点也被推进至坝体中部，直到坝体渗流场的最终稳定。

综上所述，随着库水位的下降，浸润线位置和孔隙水压力不断下降，直至出现负压，说明了大坝的浸润线临界区域饱和状态与非饱和状态的转变过程，这是一种脱湿过程。随着库水位下降速度加快脱湿效应越明显。

3.3 边坡稳定分析

库水位下降对边坡的安全稳定影响很大。文章结合Geo-Studio软件[8]中的SLOPE/W模块，采用Morgenstern-Price法计算非饱和非稳定渗流影响下上游面坝坡的最小安全系数。计算结果汇总成变化曲线图见图10。

图10 库水位下降非饱和影响时上游边坡最小安全系数变化曲线

由计算结果可以得到，库水位下降速度和上游坝坡的安全系数关系是线性的，短暂时间后均产生一个最值，各种下降速度下的最值差异不显著，且下降速度越快，安全系数亦越快达到最小值，最终稳定后的安全系数值均相同。

分析原因有：①由于库水位下降导致大坝浮托力减小，同时坝体上游面抗滑阻力变小的缘故导致安全系数的减小；②土体的孔隙水压力消散不完全，浸润线位置高于库水位，浸润线最高点上游的倒流现象，加大渗流方向的下滑力，进而威胁到上游面坝坡的稳定性；③坝体上游面水体的静水压力的降低不利于坝坡稳定，进而致使安全系数的减小。

4 结 论

在库水位变化情况下的饱和-非饱和渗流理论基础上，根据已建立的渗流场与应力场耦合的数学模型，计算了库水位在不同下降速度下的渗流稳定性，重点分析了浸润线、孔隙水压力的分布规律以及上游坝坡的安全稳定性，结果表明库水位下降速度不同，各分析指标会出现一定的滞后性，滞后现象随下降速度增大也越明显，且总水头和孔隙水压力增加幅度越大，也严重威胁到上游坝坡的稳定性，所得出的结论对实际工程设计施工具有一定的参考价值。

[1]顾慰慈．渗流计算原理及应用[M]．北京：中国建材工业出版社，2000：55-64.

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[6]赖远明，刘松玉，吴紫汪.寒区挡土墙温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析[J].土木工程学报，2003，36(06)：88-95.

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AnalysisforEffectofReservoirWaterLevelChangingonUnsteadySeepageFieldofEarth-rockDam

LIJing

(DaxinganlingRegionalWaterAffairsBureau,Daxinganling165000,China)

The earth-rock dam is one of the most popular dam types in current hydraulic project design, so the seepage protection system appears to be particular important, at present, most of the project accidents are caused by leakage of dam body and foundation. In the accidents caused by dam leakage, the problem of unsteady seepage caused by reservoir water level changing in storage period is most prominent. Many dam-failure accidents were caused by improper selection for the first storage velocity. Therefore, it is necessary to analyze and study the unsteady seepage field in actual projects. In combination with project case, this paper analyzed the seepage field and stress field coupling for the earth-rock dam, by comparing the calculated results of un-coupling field, and it was shown that the coupling analysis of seepage field and stress field is suitable to the actual project.

earth-rock dam; seepage field; water level of reservoir; change; effect

1007-7596(2017)07-0026-04

2017-06-18

李婧(1969-)，女，吉林怀德人，高级工程师，从事勘测设计工作。

TV641；TV

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