库水位骤降后面板缺陷坝体渗漏量和坝坡稳定性分析

胡 俊，黎春林

(铜陵学院，安徽 铜陵 244061)

0 引言

面板堆石坝因其坝坡的稳定性好，施工方便，自19世纪50年代第一座面板堆石坝出现后便不断发展，我国于2008年建成的湖北水布垭233 m级面板堆石坝便是最好的代表。然而，对于面板堆石坝来说，上游面板不可避免的会出现裂缝[1-2]，这些裂缝对面板堆石坝的渗流形态以及坝坡的渗漏量产生一定的影响[3-5]。对于面板堆石坝面板缺陷情况下的坝体渗流特性，国内外学者进行了一定的研究：如高俊等[6]利用渗流专业计算软件Seep3D对青海省玉树县境内的澜沧江某面板堆石坝面板缺陷下的渗漏量及浸润线进行了数值模拟研究，但是未涉及到相应工况下的边坡稳定性分析；李炎隆等[7]基于等宽缝隙稳定流的运动规律，推导了面板接缝止水失效且面板产生裂缝情况下面板堆石坝的渗流公式对某面板堆石坝进行了计算，但是计算方法繁琐，占用机时长；吕高峰等[8]利用阻力系数法对某面板堆石坝接缝处缺陷下的面板渗流特性进行了计算，重点估算了坝体渗漏量，但是未有涉及到库水位变动的不同工况下的渗流特性及稳定性分析。以上研究要么计算繁琐，要么未涉及到坝坡的稳定性研究，岑威钧等[9-10]，孙丹等[11]，李传奇等[12]根据试验提出了“渗透系数扩大法”来模拟缺陷单元的渗透特性，取得了良好的效果，且计算简便，计算代价较小。

本文根据现有研究成果，采用“渗透系数扩大法”建立了破损面板有限元模型，依据饱和-非饱和渗流原理对某面板堆石坝面板不同部位缺陷库水位变动下的的渗流特性及稳定性进行了数值模拟，为该面板坝的运行安全稳定提供了一定的参考。

1 计算原理

1.1 饱和-非饱和渗流

非饱和渗流的控制方程形式为[13]：

(1)

其中：kij——饱和渗透张量/(m·d-1)；

kr——相对透水率；

hc——压力水头/m；

Q——源汇/m3；

C(hc)——容水度；

θ——压力水头函数；

n——孔隙率；

Ss——单位贮水量。

1.2 非饱和抗剪强度理论

非饱和抗剪强度理论采Fredlund双应力变量公式[13]：

s=c′+σntanφ′+(ua-uw)tanφb

(7)

式中，c′与φ′——有效强度参数/kPa；

σn——法向总应力与孔隙气压力的差值/kPa；

ua——孔隙空气压力/kPa；

uw——孔隙水压力/kPa；

φb——表征由负孔隙水压力而提高的强度/kPa。

2 计算模型

2.1 模型概况

某面板堆石坝位于浙江省临海市境内，该水库任务是以供水为主，结合防洪，兼顾灌溉、发电等综合利用。坝址以上集水面积84.8 km2，多年平均径流量为1.08×108m3，水库总库容7.205×107m3，正常库容6.101×107m3，供水调节库容5.898×107m3，防洪库容1.432×107m3，多年平均供水量6 776 m3，电站平均发电水头61.22 m，装机3 750 kW。该面板堆石坝的平面布置图如图1所示。

拦河坝坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程121.0 m，防浪墙顶高程122.2 m，坝基趾板底高程43.0 m，最大坝高78 m，坝顶宽度8.0 m，坝轴线长370.2 m。地基为花岗岩。为计算方便，以图2(a)坐标轴为基准，正常蓄水位为40 m，死水位为10 m，下游水位取为6 m，取如图2所示的剖面建立有限元模型，根据长年观测资料及建模方便，取如图2(a)所示的上部缺陷，中上部缺陷，中下部缺陷及下部缺陷四个部位缺陷进行分析，为提高计算精度，对全局网格进行加密处理，如图2(b)所示，模型网格尺寸划分设置为0.1 m，模型共划分为28 853个节点，29 031个单元。

图1 面板堆石坝枢纽布置图Fig.1 Layout diagram of concrete face rockfill dam hub

图2 计算模型及模型网格Fig.2 Computational model and model grid

2.2 边界条件

模型边界条件设置如下：bcd为库水位变动边界，包括静库水位边界及库水位骤降边界；gh为下游静库水位边界，为6 m；def，baih为不透水边界。

3 计算工况及计算参数

3.1 计算工况

为反映不同库水位变动下的不含缺陷及含缺陷面板坝的渗流特性及稳定性规律，取如图2(a)所示的不同高程缺陷，分别命名为上部缺陷，中上部缺陷，中下部缺陷及下部缺陷，缺陷中心高程分别为5 m、15 m、25 m及35 m，缺陷大小一般可以简化为一定宽度的缺陷[12]，根据相应的监测资料，本文简化为等效裂缝宽度，分别取为1 cm、2 cm、3 cm，而库水位根据库水位变动范围为高程40～10 m，分为静水位工况及库水位变动工况，具体工况如表1所示。

3.2 计算参数

材料的物理力学参数如表2所示，面板缺陷根据文献[9-12]的“渗透系数扩大法”进行模拟，及将面板缺陷渗透系数扩大为强透水即可，本文采用这种方法对缺陷面板进行模拟，而材料的土水特征曲线如图3所示，采用Geostudio的材料库中进行估算取值。

表1 计算工况

表2 坝体材料力学参数

图3 土水特征曲线Fig.3 Soil-water characteristic curve

4 计算结果

4.1 静库水位工况

4.1.1浸润线分析

为探究静库水位下的不同面板缺陷高程及不同缺陷大小以及不同库水位高程下的坝体内部浸润线变化，限于篇幅，绘制库水位水平为10 m、20 m、30 m及40 m情况下的不同缺陷高程下的坝体内部的浸润线变化(图4)。

图4 不同水位不同缺陷下的坝体内部浸润线变化Fig.4 Variation of internal soakage line of dam body with different defects under different water level

由图4可以发现以下规律：

(1)由图4(a)可知，一旦面板出现缺陷，坝体的浸润线有一个明显的抬升，这种变化在上游坝坡处较为明显，而在下游坝坡处变化不大。

(2)不同缺陷尺寸下(如图4(a)中缺陷高程为5 m，缺陷尺寸分别为1 cm、2 cm以及3 cm)坝体内部浸润线的差别不大，但是总体上缺陷尺寸越大，坝体内部的浸润线高程也越高。

(3)相同情况下，缺陷高程越高，库水位高程越高，坝体内部的浸润线高程也就越高。

4.1.2不同工况下的坝体渗漏量分析

不同静库水位水平下的坝体渗透量三维柱状图如图5所示。

图5 不同工况下的坝体内部渗漏量Fig.5 Internal leakage of dam body under different working conditions

由图5可见：

(1)整体上，从纵向上看，库水位水平越高，渗漏量也就越大，同时，缺陷高程越高，渗漏量也越大，值得注意的是，图中对于缺陷高程高于库水位高程时，缺陷的漏渗作用便消失了，体现在坝体的渗漏量与完整面板的渗漏量相同，这也是易于理解的。

(2)当面板发生破损后，坝体的渗漏量存在一个明显的上升，但是面板缺陷尺寸的扩大对于渗漏量的提高作用不大，面板缺陷高程越高，渗漏量越大。

4.1.3不同静库水位下上下游坝坡稳定性系数变化规律

不同静库水位工况下上下游坝坡稳定性系数变化如图6所示。

图6 上下游坝坡稳定性系数变化Fig.6 Variation of safety factor of upstream and downstream dam slopes

由图6可见：

(1)从整体上看，上游坝坡的稳定性系数要大于下游坝坡的稳定性系数，说明静库水位工况下，上游坝坡的稳定性要高于下游坝坡。

(2)对于上游坝坡来说，库水位水平越高，稳定性系数越大，这是由于高库水位对库岸的作用力越大，使得坝坡越稳定，而下游坝坡库水位水平越高，稳定性系数则越小，这是因为高库水位抬高了坝体内部的浸润线，使得下游坝坡的土体软化作用明显。

(3)对于不同缺陷位置来说，缺陷位置越高，稳定性系数越低，但是，库水位升高会提高上游坝坡的稳定性系数，因而存在一个“综合”作用，但是从控制变量的角度(即控制库水位高程不变)，缺陷高程越高，稳定性系数越低。

4.2 库水位骤降工况

4.2.1浸润线分析

限于篇幅，这里仅仅给出完整面板(即无破损情况)下不同库水位骤降速率及缺陷高程为25 m情况下的不同库水位骤降速率的坝体内部浸润线变化规律，其他工况与其类似，在此不再赘述，库水位骤降下的浸润线变化如图7～图8所示，每条浸润线的时间间隔为10 d。

图7 完整面板坝库水位骤降浸润线变化Fig.7 Variation of infiltration line of intact face slab dam while the reservoir water level dropped suddenly

图8 缺陷25 m高程库水位骤降面板坝浸润线变化Fig.8 Variation of soakage line of water level in 25 m height reservoir with defect

由图7～图8可见：

(1)对于完整面板坝来说，库水位骤降下面板坝内部浸润线呈现先疏后密的规律，库水位下降速率越大，上游坝体浸润线的疏的部分则越疏，而下游坝体浸润线变化则不明显。

(2)对于缺陷25 m高程下的不同库水位骤降速率的面板坝浸润线变化来说，在库水位骤降经过面板坝缺陷高程时，有一个浸润线突降的过程，值得注意的是，在库水位骤降速率为0.5 m/d时，在缺陷处产生了一个暂态饱和区，且随着库水位的进一步下降这个暂态饱和区也逐渐消失。

4.2.2稳定性系数变化规律

库水位骤降工况下的上下游坝坡稳定性系数变化曲线见图9。

图9 不同库水位骤降速率下坝坡稳定性系数变化Fig.9 Variation of dam slope safety factor under different sudden drop rate of reservoir water level

由图9可见：

(1)整体上看，库水位骤降情况下上游坝坡稳定性系数随库水位下降呈现先下降后上升的趋势，下降呈现迅速下降的规律，而上升则呈现缓慢上升最后维持不变的规律；下游坝坡则呈现一直上升的规律，在库水位骤降前期上升较快，而在库水位骤降后期上升较慢最后维持稳定。

(2)库水位骤降速率越大，相同情况下的上游坝坡最小稳定性系数出现的越早，最小稳定性系数也越小；而下游坝坡稳定性系数上升的越快。

(3)一旦面板发生缺陷，稳定性系数较完整面板来说有一个较大幅度的下降，对于面板缺陷尺寸越大，稳定性系数整体上越小，但是不同缺陷尺寸下的稳定性系数差异不大。

5 结论

(1)面板一旦发生缺陷，静库水位下坝体的浸润线有一个明显的抬升，缺陷尺寸越大，浸润线高程越高，但是差异不大；库水位高程越高，静库水位下坝体内部的浸润线高程也就越高。

(2)库水位水平越高，缺陷尺寸越大，坝体渗漏量也就越大。

(3)库水位骤降下面板坝内部浸润线呈现先疏后密的规律，库水位下降速率越大，上游坝体浸润线的疏的部分则越疏；在库水位骤降经过面板坝缺陷高程时，有一个浸润线突降的过程。

(4)从整体上看，上游坝坡的稳定性系数要大于下游坝坡的稳定性系数；静库水位下，库水位水平越高，上游坝坡稳定性系数越大，而下游坝坡稳定性系数则越小，缺陷位置越高，稳定性系数越低；库水位骤降情况下上游坝坡稳定性系数随库水位下降呈现先下降后上升的趋势，下游坝坡则呈现一直上升的规律，一旦面板发生缺陷，稳定性系数较完整面板来说有一个较大幅度的下降，面板缺陷尺寸越大，稳定性系数整体上越小。