Geostudio软件在土坝渗流稳定分析中的应用

林悦奇

(广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

据统计，我国兴建各类挡水大坝共计8万多座，其中95%以上为土石坝。土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。使用土料填筑而成的坝体，其渗流问题和坝坡稳定问题是影响大坝安全的关键所在[1]。土坝渗流计算及坝坡稳定计算大多采用有限元方法，本文以从化某水库为例，用Geostudio对大坝进行有限元渗流稳定分析[2- 3]，为同类型工程的渗流稳定计算提供参考。

Geostudio渗流计算基本方法是达西定律，达西定律在非饱和区和饱和区的应用是一样的。计算时，使用平面二维渗流方程：

式中，H—总水头，m；kx—x方向渗透系数，m/s；ky—y方向渗透系数，m/s；Q—应用边界渗流量，m3/d；θ—土体储水变化率；t—时间，s。

等式右端为土体储水变化率，该方式适用于瞬态分析。如果等式右端等于0，即土体储水不变时，即为稳态分析。

1 工程概况

从化某水库位于从化区西部，建成于上世纪60年代，水库集雨面积12.9km2，设计正常蓄水位97.50m，相应库容1，100m3；50年一遇设计洪水位99.10m，相应库容1270万m3；1000年一遇校核洪水位100.50m，相应库容1414万m3，属中型水库。大坝最大坝高为30.45m，坝顶高程103.45m，坝顶宽5m，坝顶长135m，迎水坡用混凝土护坡，分为3种坡度：1∶2.75；1∶3；1∶3.25。背水坡设垫褥式反滤层，并有戗台2道，宽为1.5m，坝坡亦分为3级：1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0。

1.1 渗流稳定计算工况

根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》的规定，参考水库调洪计算成果及大坝实际运行中可能出现的不利情况，拟定下列工况进行稳定复核。

正常运用条件：

工况1：正常蓄水位97.50m上、下游坝坡渗流稳定分析；

工况2：设计洪水位99.10m(P=1%)上、下游坝坡渗流稳定分析；

工况3：设计洪水位99.10m骤降至正常蓄水位97.5m上游坝坡渗流稳定分析；

非常运用条件I：

工况4：校核洪水位100.50m(P=0.1%)上、下游坝坡渗流稳定分析；

工况5：校核洪水位100.50m(P=0.1%)降至设计洪水位99.10m上游坝坡渗流稳定分析；

工况6：正常蓄水位97.50m骤降至死水位77.50m上游坝坡渗流稳定分析。

1.2 计算模型及模型率定

1.2.1 计算模型

渗流和稳定分析采用Geostudio中的seep模块和slope模块进行。计算模型选取最大坝高断面进行建模，根据原有工程资料及三维激光扫描的成果，确定计算模型的几何尺寸。模型高度为70m，其中坝体高度30.45m，坝顶宽度5m，模型长度540m，其中坝体长度184m。其建模步骤如下：

Geostudio软件可在set中设置模型的长度、高度、比例、计算单位及坐标轴等模型参数设置。模型高度宜按实际高程进行建模，可以减少高程换算。

在CAD中使用Pline绘制出大坝上、下游坝坡轮廓、排水棱体轮廓，坝基岩土分层情况按地质剖面绘制并保存为DXF文件。

将绘制好的模型导入Geostudio中，根据所绘制的轮廓线，使用Draw Regions对各岩土层进行面域划分。面域划分是为了区别不同的土层，方便对岩土体附加不同的材料属性。当一个面域被定义时，它只能赋予一种材料类型，只能有一种网格划分方式，面域内所有的单元均为同阶单元，积分阶次相同。

计算模型如图1所示，模型有限元网格划分网格划分一般使用推荐的非结构化四边形和三角形网格，每个计算单元边长为0.5m，单元边长可根据计算精度和要求自行确定。

图1 计算模型简图

在KeyIn Matetials中可以定义各岩土层土水特征曲线和土体渗透系数，模型的地质分层情况根据地质钻探成果划分，自上而下分别为素填土层、砾质粘土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩。各土层参数取值如表1所示：

表1 各岩土层物理参数取值表

素填土层材料属性按饱和-不饱和设置[4- 6]，在非饱和区，渗透系数是变化的。由于渗透系数是体积含水量的函数，根据Van genuchten模型和单位体积含水量曲线(如图2所示)估算出坝体素填土层的土水特征曲线(如图3所示)，由水土特征曲线及相应的上下游水力边界条件求解得坝体浸润线。在浸润线以上部分为不饱和土体，浸润线以下为饱和土体。目前一些参考算例中渗流计算按饱和土体计算，当坝体填土采用饱和属性时，其浸润线上部也存在渗径，求出的渗流量偏大，与实际误差较大。当采用饱和-不饱和属性计算时，渗径主要分布在浸润线以下，较贴合实际工况。坝基土层按饱和考虑。

图2 坝体填土体积函数率曲线

图3 坝体填土水土特征曲线

指定边界条件是渗流数值分析的关键。边界条件直接决定渗流计算结果，没有边界条件则无法求解。在Geostudio Seep模块中，边界条件可以选择输入边界水头或者边界渗流量，当指定为边界水头时，求解结果为渗流量，当指定渗流量时，求解结果为边界水头。本次计算为输入边界水头求解渗流量，根据渗流量可以对模型进行验证。边界水头输入的是总水头，故模型宜按实际高程建模。

由于排水棱体正常排水，故坝坡下游边界水头设置与地面高程一致，上游边界条件根据拟定工况的不同而设置不同的水头。根据计算工况的需要，在KeyIn Boundary Conditions中定义不同的水力边界条件，使用Draw Boundary Conditions将所需的水力边界条件附加在模型上。软件通过流量与水头边界，迭代求解得到溢出点及坝体内部浸润线。

1.2.2 模型率定

模型率定采用以下2种方法：

(1)根据实测的渗流量率定。根据工作组技术人员在现场量水堰用多普勒流量仪测得渗流量为25.40m3/d，对应的库水位约为90m。在正常蓄水工况模型中，库水位90m工况计算出渗流量约为24.5m3/d，计算渗流量为实测值的96.4%，与实测值相差3.6%。

(2)根据高密度电法探测结果率定。高密度电法探测成果如图4所示，根据探测成果[7]，在背水坡一级马道下方，其坝体电阻突然减小(蓝色部分)，说明该部分土体含水率较高。计算结果显示一级马道下方区域渗流比降较坝体其他地方偏大，与探测结果符合。

上述说明计算模型边界条件设置基本符合工程现状情况。

图4 高密度电法仪探测成果

2 计算结果分析

2.1 渗流计算

根据拟定工况，对不同工况分别设置不同的上游水位，其中正常蓄水水位、设计洪水位及校核洪水位为稳态渗流分析，水位骤降工况采用瞬态分析。水位骤降工况的时间可根据水位库容曲线和溢洪道及输水涵洞的泄流能力确定，求得时间和库水位的关系即可确定模型上游水头与时间的关系[7- 10]。

各工况渗流计算结果如图5～8所示：

图5 正常蓄水位渗流比降云图及浸润线

图6 设计洪水位渗流比降云图及浸润线

图7 校核洪水位渗流比降云图及浸润线

图8 正常蓄水位骤降至死水位渗流比降云图及浸润线

计算结果可以在云图中直观地了解大坝坝体内部浸润线、渗流矢量及各部位渗流比降的情况。大坝在拟定的工况下，计算得到的浸润线溢均通过排水棱体，溢出点排水棱体中。从渗流比降云图中可以看到，在稳态工况计算中，背水坡一级马道附近红色区域的渗流比降值较大，达到了0.58，其最大渗流比降均出现在坝体填土与排水棱体交接区域。

在水位骤降的瞬态工况中，由于校核水位、设计水位和正常蓄水位的水头差较小，其瞬态计算云图与稳态计算基本相同，故不再列出，仅列出水头变化较大的正常蓄水位骤降至死水位工况计算云图。从云图中可看出，由于水位的快速降落，使得坝体内浸润线快速下降，导致其最大渗流比降出现在坝体上部，最大比降为0.59。从计算的渗流矢量可以看到，坝体中的水一部分向下游渗出，另一部分水往上游坝坡反渗，使得浸润线呈现上凸的形状。因此，水位快速降落的过程中，坝坡静水压力迅速减小，加上渗透压力的作用，上游坝坡易出现拉裂或滑落的危险。

根据SL265- 2016《水闸设计规范》，软黏土出口段比降取值为0.60～0.70，结合地勘报告及水闸设计规范，最大允许比降取值为0.60。在遭遇校核洪水位和正常蓄水位骤降至死水位的工况时，最大渗流比降接近允许比降，此时大坝渗流处于临界状态，容易出现渗透破坏。因此在高水位工况时，管理人员应该加强巡视，密切关注大坝运行状态。

表2 渗流计算结果统计表

2.2 稳定计算

Geostudio中seep分析下新建slope分析，可将seep中渗流计算的孔隙水压力叠加到slope坝坡稳定计算中，无需重新输入孔隙水压力的相关数据即可对坝坡稳定进行分析计算。根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》，土坝坝坡稳定应采用简化毕肖普法计算。坝坡稳定计算中，各岩土层采用Mohr-coulomb强度，滑移面采用自动搜索最危险滑弧的方式确定。各岩土层计算参数取值见表3。

表3 各岩土层物理力学参数取值表

将各工况下上、下游坝坡抗滑稳定安全系数列于表4，部分工况计算结果如图9～12所示：

图9 正常蓄水位骤降死水位最危险滑弧

图10 校核洪水工况最危险滑弧

图11 设计洪水工况最危险滑弧

图12 正常蓄水工况最危险滑弧

工况类型背水坡迎水坡规范值正常蓄水工况1.3882.1661.30设计洪水工况1.3452.2531.30设计洪水位骤降至正常蓄水位工况/2.1001.30校核洪水位骤降至设计洪水位工况/2.2321.20校核洪水工况1.2942.3691.20正常蓄水位骤降至死水位工况/1.3651.20

计算结果表明，大坝在拟定工况下，坝坡稳定安全系数满足规范要求。从稳定计算结果中可知，大坝各工况下抗滑稳定均满足规范要求，但正常蓄水工况及设计工况工况安全系数接近规范容许值，应加强日常巡查。

3 结论

(1)根据实测的渗流量及高密度电法仪的探测结果，与Geostudio有限元计算成果对比，有限元计算结果与实测值相接近，说明其计算结果可靠，可应用于同类型工程中坝坡渗流稳定问题的求解；

(2)根据计算结果，大坝在各工况下，其渗流比降均小于容许比降。在上游水面附近区域及排水棱体处，局部渗流比降较坝体其他部位大，容易在局部出现渗流破坏；在一级马道附近区域，其渗流比降较大，接近容许比降，且坝坡现状该部位土体较为湿润，存在一定的安全隐患；

(3)在排水棱体附近求得出溢比降和临界比降必须要考虑模型的几何形状、有效应力和土体剪切强度以及渗流流速。有时候计算所得的出溢比降为1，并不意味着会发生破坏或管涌等问题，这是由于在计算中，不同材料交界面由于材料属性的突变，可能会使得表面的单元出现较大的突变值，建议取溢出点位置合理深度范围内的平均比降值做参考，而非出溢点位置的值。

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