基于GeoStudio 土石坝渗流稳定分析

2020-11-12李宏春

湖南水利水电 2020年5期

李宏春

（湖南创力工程技术有限公司，湖南长沙 410007）

湖南省境内已建成的土石坝较为普遍。由于受当时技术和施工水平限制，遗留问题比较多，在中小型水库除险加固中，渗流稳定复核往往是设计重点。本文案例采用GeoStudio 软件计算，与传统的力学分析方法相比，计算后处理功能强、结果直观形象；各模块参数输入多样化，而且比较系统全面，更贴近真实情况，各模块在模拟不同工况下能更好地反映实际工程状态。

1 GeoStudio 系统软件介绍

GeoStudio 是一套专业的岩土工程和环境岩土工程仿真分析软件，GeoStudio 系统软件采用有限元法分析和模拟岩土工程中的各种状态，在岩土、地质、水利、环境、采矿、交通工程等领域均可以应用，该软件为加拿大软件商开发，用户覆盖全球100 多个国家，在国内亦拥有众多的用户群体，尤其是许多水利系统设计院所均采用此程序计算。

渗流分析采用GeoStudio 系统软件中《SEEP/W 地下水渗流分析软件》计算。本模块能计算稳定渗流期、非稳定渗流期，不同坝型、任意断面的渗流状况。为设计坝脚排水棱体作参考依据。

稳定分析采用GeoStudio 系统软件中《SLOPE/W 边坡稳定性分析软件》计算。该程序可以同时用毕肖普法、瑞典法、非圆弧滑动采用摩根斯顿-普莱斯法自动找到最危险的滑弧位置，并分别计算不同工况下的安全系数。

2 应用实例

某水库由大坝、溢洪道、灌溉输水设施等建筑物组成。大坝加高后为粘土固化剂防渗心墙土石坝，坝顶高程305.2 m，最大坝高29.2 m，坝顶宽度5 m，坝顶轴线长205m。水库正常蓄水位为302m，设计洪水位（P=2%）为302.97 m，校核洪水位（P=0.2%）为303.26 m。加固后下游坝坡的坡比依次为1∶2.26、1∶2.6。加固后上游坝坡坡比依次为1∶2.52、1∶2.52，上游坝坡采用混凝土预制块进行护坡，下游坝坡草皮护坡，下游坝脚重修排水棱体。

1）渗流计算

软件渗流分析主要采用流网法，考虑分层土和各向异性土，模拟分析下游坝的出逸点和坝体内浸润线，坝坡稳定根据模拟后浸润线成果进行稳定计算。大坝坝身为防渗心墙坝，坝基为帷幕灌浆，各部位的渗透系数不同，根据各分区情况选取（表1）。

渗流计算主要按五种工况，计算条件如下：

①上游设计洪水位302.97 m，下游无水276.1 m；

②上游正常蓄水位302.1 m，下游无水276.1 m；

③上游校核洪水位303.28 m，下游无水276.1 m；

④上游不利水位（1/3 坝高）285.7 m，下游无水276.1 m；

表1 大坝各区渗透系数计算指标

⑤上游正常水位302.1 m 骤降至死水位279.0 m，下游无水276.1 m；

软件利用水头转化边界，通过迭代求解得到溢出点位置。渗流计算典型图见图1。

2）坝坡稳定计算

根据地质专业提供的大坝物理力学指标，将表2数据输入《SLOPE/W 边坡稳定性分析软件》模块。

图1 正常水位渗流计算图

表2 大坝各区的物理力学计算参数

通过程序分步调用渗流计算成果，计算大坝下游坝坡稳定和上游坝坡稳定。下游坝坡稳定工况分别为：设计水位302.97 m、正常水位302.1 m、校核水位303.28 m 情况下，上游坝坡稳定工况分别为上游不利水位285.7 m（1/3 坝高）及上游水位由正常蓄水位295.78 m 快速降至死水位279.0 m，共5 种工况。

《SLOPE/W》模块主要根据有限元法计算原理，分析坝体内各工况下应力状态，计算上下游坝坡最不稳定的滑弧位置；与《SEEP/W》模块结合可以处理更复杂的水压力分布，与《QUAKE/W》模块结合可以考虑地震力对边坡稳定的影响。大坝坝坡稳定计算图见图2。