黏土心墙坝坝坡渗透稳定性敏感性分析

王 楠

(国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077)

水库水位骤降对土石坝坝坡稳定性的有着重要影响[1- 2]，库水位下降导致上游坝坡的水压卸载，对边坡的下滑抗力减弱[3]，同时，由于坝坡内部的孔压“滞后”效应[4]，使得上游坝坡的下滑力加剧，导致上游坝坡的危险性进一步增大。坝坡失稳导致水工建筑物的永久损坏，严重威胁周边居民的人身财产安全，所以，针对库水位骤降下的滑坡渗透稳定性的研究的重要性则是不言而喻的。

对于库水位骤降下的边坡稳定性规律的研究较多，孙阳[5]对库水位骤降下的高面板堆石坝面板脱空的影响规律进行了数值模拟研究，发现库水位下降速率越大，面板脱空程度越大；齐小静[6]利用有限差分软件FLAC3d，基于强度折减法对库水位骤降下的土石坝的失稳判据进行了研究；尹吉娜[7]考虑黏土的非线性及渗透特性，通过有限元法开展了坝体在水位变动下渗流场及稳定性研究；张继勋[8]考虑了土工膜坝的土工膜缺陷的影响，利用Geostudio软件对库水位下降下的土工膜坝安全稳定性进行了分析。但是以上研究仅仅针对特定的工况或者特定的坝体材料参数进行分析，却缺少对不同参数或者边界条件变动下的稳定性敏感性的分析。

本文基于某黏土心墙坝，利用Geostudio软件对坝体不同参数变动及不同库水位骤降速率下的坝坡渗透稳定规律进行了模拟，利用正交试验分析法对不同参数变动进行了敏感性分析，得到了影响坝坡稳定性的关键性因素的定量化排序，研究结果为认识库水位骤降下的坝坡稳定性规律及灾害的防治提供了一定的参考。

1 计算理论

1.1 非饱和计算原理

非饱和渗流微分方程为：

(1)

式中，kr—透水率；kij—渗透张量；hc—水头；Q—源汇；C(hc)—容水度；θ—水头函数；n—孔隙率；Ss—单位贮水量。

1.2 非饱和边坡抗滑稳定理论

非饱和边坡抗滑稳定理论如下所示：

(2)

1.3 正交试验分析法

正交试验法是基于数理统计方法，选择具有代表性的工况进行敏感性分析的一种方法，具有均衡分散性和整齐可比性2大特点，可以较少的试验次数反映事物的客观变化规律[9]。

2 计算模型及边界

2.1 计算模型

某典型黏土心墙坝正常蓄水位为152m，死水位125m，坝顶高程156.20m，最大坝高51.70m。计算模型及模型网格如图1所示。

图1(a)为本文的计算模型，由上游压重，坝体，心墙，过渡层，排水棱体，坝基土及基岩组成。图1(b)为本文的模型网格图，心墙处进行了细化处理。一共剖分为3126个单元，3379个节点。

2.2 边界条件

边界条件设置如下：acf为库水位骤降边界，由正常蓄水位152m高程骤降至死水位125m高程；hij为自由渗出边界；efgh为降雨入渗边界，本文假设坝坡坡面不积水；jk、ab及ak为不透水边界。

3 材料参数的设置

材料参数根据现场试验综合勘察确定，详见表1。

4 正交试验工况设置

影响坝坡稳定性的因素主要分内因与外因，其中内因包括材料的渗流力学特性，本文为方便计算，选取坝体材料中的黏聚力与内摩擦角2个参数参与正交试验分析，考虑其空间变异性，黏聚力的变动范围取为5.6～17.6kPa，内摩擦角的变动范围为5.2°～10.6°。同时，诸如库水位骤降及降雨是影响坝坡稳定性的关键性外因，本文也予以考虑，库水位骤降速率根据多年的运行工况，变动范围取为0.5～2m/d，而降雨强度，则根据多年的水文地质资料，选取范围为0.01～0.04m/d，降雨天数平均设置为4d。

表1 坝体材料力学参数

由表2可见，在本文的计算工况下，降雨与库水位(外因)的极差较之坝体材料参数的黏聚力与内摩擦角要小，说明对于一座粘土心墙坝而言，最重要的是保证坝体材料的高质量填筑，其中值得注意的地方是黏聚力的影响程度大小为0.49157，要略大于内摩擦角，而降雨强度的影响也达到了0.359，说明降雨强度对于坝体的影响也是不容忽视的，在雨季要加强大坝的巡查与排水力度，而库水位因素则是影响最小的。综合以上分析及敏感性结果，可以得出，影响黏土心墙坝的影响因素排序为黏聚力≥内摩擦角≥降雨强度≥库水位骤降速率。

图1 计算模型及模型网格

表2 敏感性分析正交试验表

5 结论

本文通过正交试验敏感性分析，发现了坝体材料的黏聚力与内摩擦角对于坝体稳定性的影响要大于降雨及库水位等外部因素影响，说明对于黏土心墙坝而言，保证施工质量是坝体安全稳定运行的前提。运用正交试验分析法，可以以较少的试验次数反映事物的客观变化规律，具有一定的指导作用，但正交试验更偏向于理论计算，如何更好地将理论计算结果结合到工程实际安全当中，还需要开展进一步研究。