库水位变动联合不同类型降雨下中小型均质土石坝渗流及稳定耦合分析

苏正洋，张凯,2*，孟颖,2，焦洁

(1 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点试验室，江苏 南京 210029；2 水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029；3 河海大学设计研究院有限公司,江苏 南京 210098)

在水库运行过程中，库水位的变动[1-2]、强降雨等极端天气[3-4]可能会导致土石坝坝身产生一些病险问题，如边坡失稳[5-6]、渗透破坏[7-8]等。研究[9-10]表明库水位变动与降雨是导致土石坝坝坡失稳的重要诱因。通常库水位骤升和骤降的变动是影响土石坝安全稳定的直接原因[11]，而降雨主要是影响坝体土体的含水率，进而使坝体的基质吸力发生变化[12-13]，使土体抗剪强度降低，从而影响坝坡稳定。

对库水位变动、降雨及相应的渗流稳定性分析，国内外研究者开展了大量有益的工作。张继勋等[14]研究不同降雨类型对浅层及深层滑动面渗流特性及边坡稳定性的影响；郁舒阳[15]基于Fredlund & Xing参数分析了不同降雨类型对边坡渗透稳定性的影响；崔洁[16]研究了不同水位升降速度下水库右岸边坡土体稳定安全系数的变化规律，并提出要合理控制水位升降速度。至今，关于土石坝渗流和坝坡稳定性的研究已较多，但主要集中于库水位骤降或不同降雨类型单因素影响下的渗流和稳定性分析等方面，较少考虑水位变动和不同降雨类型的耦合作用，对库水位变动(包括骤升和骤降)、不同的库水位变动速率、不同降雨类型等多因素影响下的渗流稳定耦合分析研究较少[17-18]。

土石坝的安全稳定问题关系到库区周围及下游人民的生命财产安全，尤其实际工程在运行过程中，遭遇一些复杂工况条件，如库水位变动联合不同类型降雨，此时土石坝能否正常运行、其坝坡安全稳定特性是否满足要求需进行专门研究，因此，本文研究以某大二型水库工程一副坝为例，对坝体在渗流应力耦合状态下遭遇库水位变动联合不同类型降雨时的渗流和坝坡稳定性情况进行有限元模拟，针对不同骤升、骤降速率联合不同降雨类型进行耦合分析，以揭示库水位变动联合不同类型降雨对中小型土石坝上下游坝坡稳定性影响的规律，为土石坝在复杂工况下的运行管理提供参考依据。

1 工程概况

1.1 坝体概况

该工程一副坝位于主坝左岸，为粘土斜墙石渣坝;坝顶高程484.68 m，最大坝高30.5 m，坝顶宽7.0 m，坝顶轴线长162.0 m，坝顶迎水面设置1.0 m高浆砌条石防浪墙，墙顶高程485.68 m;迎水面坝坡1∶2.5，背水面坝坡1∶2.5；坝体填筑主要分为粘土防渗区、过渡区和石渣填筑区等。其典型剖面分区如图1所示。

图1 坝体典型剖面分区示意图

1.2 现场检测情况

现场检测一副坝坝体的情况见图2，其中，图2a为坝体上游坡，图2b为下游坝面渗水处，图2c为上游风化护坡，图2d为坝顶裂缝。该副坝坝体主要情况如下：上游坡面采用六棱块护坡，风化严重，杂草丛生；下游为草皮护坡，有两处大面积的散浸，局部塌陷明显，渗水处存在不均匀沉降现象；坝顶下游侧条石栏杆共75根，有71根均有不同程度的竖向裂缝，仅4根外观完好。坝体裂缝集中在渗水坝段坝顶，最大缝宽18 mm；5 m宽的坝顶出现5条平行裂缝。

图2 坝体现场检测图

2 数值模型

2.1 饱和-非饱和渗流计算理论

基于非饱和土达西定律及多孔介质渗流连续方程得到以压力水头表示的饱和-非饱和微分方程为：

(1)

式(1)中，kijs为饱和渗透张量，kr为相对透水率，hc为压力水头，Q为源汇项，C(hc)为容水度，n为孔隙率，Ss为单位贮水量，θ为与压力水头相关的函数。

2.2 模型及边界条件

所建数值模型地基从弱风化层底部取至不透水层，深度为40.6 m；上游坝坡ab设为库水位变动边界，下游水位边界为fgh，根据现场所测资料，下游无水；bcde、aigh设置为不透水边界。

假定坝体应力、应变之间的本构关系为弹塑性，坝体破坏服从摩尔-库仑准则，然后考虑耦合作用，由SEEP/W模块分析坝坡初始水位稳态渗流，得到初始渗流场，然后将该渗流场作为SIGMA/W模块原位的上级目录模拟坝坡初始应力场。根据不同工况下初始渗流场和初始应力场，设置模型边界条件，在SIGMA/W模块中同时求解渗流方程和平衡方程，算得渗流应力耦合分析结果，便可确定坝体渗流场和应力场的耦合效应。

本文研究稳定计算采用Bishop法，考虑了土体的非饱和强度。计算模型的网格划分如下图3所示，模型网格一共剖分为2 973个节点、2 849个单元。

图3 有限元网格剖面示意图

2.3 计算参数及工况选取

在坝体渗流和坝坡的稳定性分析中，考虑降雨入渗时其坝体浸润线随着库水位变动出现滞后特征，库水位变动越快，则滞后特征越明显，此时土体基质吸力亦发生变化，其坝体的非饱和强度也随之发生变化，进而影响到坝坡稳定。本文研究考虑土水耦合作用，针对不同工况下坝体不同监测点的孔压及上下游坝坡安全系数进行分析。

针对骤升和骤降2种工况，根据现场降雨资料选择水位变动速率分别为0.5、1、2 m/d，降雨类型分别为前锋型、中锋型、平均型、后锋型、无雨型5种，然后进行有限元数值模拟。

数值模型计算参数根据水库工程地勘报告及现场试验综合确定，坝体分区的物理力学参数见表1，计算工况见表2，前锋型、中锋型、平均型、后锋型4种降雨历程见图4。

表1 坝体物理性质指标与力学参数表

表2 坝体渗流稳定计算工况表

图4 降雨历程图

2.4 渗流特性分析

本文研究在坝体上游坡的上部和下部各设置1个监测点，在下游坡的上部和下部同样各设置1个监测点，共计4个监测点，分别编号为1、2、3、4，监测点布置示意图见图3。本文中在相同库水位变动工况下仅给出2 m/d骤降、1 m/d骤升工况孔压变化，相同降雨类型不同库水位变动速率工况下给出后锋型、前锋型和无雨型时孔压变化。不同监测点在不同库水位升降速率、不同降雨类型下孔压变化如图5、图6所示。

由图5～7可知：

图5 2 m/d骤降工况联合不同降雨类型下各监测点孔压变化图

图6 1 m/d骤升工况联合不同降雨类型下各监测点孔压变化

图7 相同降雨类型、不同库水位变化速率下监测点孔压变化

(1)监测点1孔压的变化及分析。

监测点1在不同的库水位骤变速率及不同类型降雨下，水位骤降时其孔压值先以相对较快速度减小，后在水位稳定时以较慢速度减小，最终趋于稳定。水位骤升时，孔压先以较快速度增大，后在水位稳定时以较慢速度增大，最终趋于稳定。当库水位骤变速率相同时，不同的降雨类型变化对监测点1的孔压变化影响较小；当降雨类型相同时，不同的库水位骤变速率对监测点1的孔压变化影响较大。库水位下降速率越大，则监测点1孔压降低的时间越提前；库水位上升速率越大，孔压上升时间越提前，这亦与现实情况相符合，当库水位骤降速率越大时，监测点1位于上游坝踵处，孔压开始降低的时间就越早，从侧面亦说明本文研究的有限元模拟结果与实际较为吻合。

由上述结果及分析可知：监测点1处孔压变化对库水位骤变速率较为敏感，对有无降雨及降雨类型变化不敏感。

(2)监测点2的孔压变化及分析。

监测点2孔压在水位骤降时孔压基本保持缓慢降低趋势，但降低幅度相对较小，有雨时孔压比无雨时孔压略大，水位骤升时孔压先稳定不变，待水位高度超过监测点高程时，孔压开始缓慢增大，最终趋于稳定。当库水位骤变速率相同时，不同的降雨类型变化对监测点1的孔压变化影响较小，说明监测点2处孔压对有无降雨及降雨类型变化不敏感；当降雨类型相同时，不同的库水位骤变速率对监测点1的孔压变化影响较大，说明孔压对库水位变化速率较敏感。水位骤降时，骤降速率越大，则前期孔压变化得越快，孔压趋于稳定的时间也越快，但不同的库水位骤降速率下，最终稳定时的孔压值趋近于一致。水位骤升时，前期监测点2位于水位上方，孔压在降雨作用下会有缓慢的上升，骤升速率越大，水位超过监测点的时刻就越早，则孔压开始增大的时间越快，但不同的库水位骤升速率下，最终稳定时的孔压值趋近于一致。从监测点1、2在有雨和无雨2种工况下变化趋势大致相同可知：上游监测点的孔压变化对降雨不敏感。

(3)监测点2的孔压变化及分析。

监测点3位于坝体下游坡上部，降雨类型相同而库水位骤变速率不同时，骤升骤降工况下监测点3处孔压变化趋势几乎不变，均呈现先稳定不变后缓慢上升趋势，说明监测点3处孔压对库水位变化模式(骤升或骤降)及库水位骤变速率不敏感。库水位骤变速率相同而降雨类型不同条件下，监测点3的孔压有所改变，有雨和无雨工况变化差异较大，无降雨时孔压基本保持稳定不变，因为没有降雨入渗过程。水位骤变模式相同而降雨类型不同时，不同的降雨类型下监测点3处孔压开始上升的时间不同，前锋型降雨孔压开始上升的时间最快，其次分别是平均型、中锋型、后锋型，说明监测点3处孔压对有无降雨及降雨类型的变化较为敏感。

(4)监测点4的孔压变化及分析。

监测点4位于坝体下游坡下部，在降雨类型相同而骤变速率不同时，孔压整体变化基本相同，说明监测点4处孔压对库水位变化不敏感。库水位骤变速率相同而降雨类型不同条件下，监测点4的孔压有所改变，有雨和无雨工况变化差异较大，有雨时孔压变化趋势大致为先缓慢下降后缓慢上升，最后趋于稳定。无雨骤降工况时孔压先缓慢降低后逐渐保持稳定，无雨骤升工况时孔压先缓慢上升后逐渐保持稳定；水位骤变速率越快，则趋于稳定的时间越快。说明监测点4处孔压变化对库水位骤降速率及有无降雨敏感，但对降雨类型变化不敏感。

2.5 稳定性分析

结果(图8)显示：

图8 相同库水位骤降速率、不同降雨类型安全系数的变化

(1)骤降工况。

库水位骤降时，上游坡安全系数先以较快速度减小后缓慢增大较小幅度，最后趋于稳定。骤降速率越大，则安全系数开始下降时的速度就越快，最终趋于稳定的时间越提前。降雨类型变化对坝坡安全系数有一定影响，水位降落期上游坝坡的安全系数对有无降雨及降雨类型的变化不敏感，在水位降落过程完成后，上游坝坡的安全系数对有无降雨较为敏感，但对降雨类型的变化不敏感，不同降雨类型下的安全系数变化差异较小。

下游坡的安全系数先缓慢增大，后开始以较快速度减小。先增大是由于存在水压卸载过程，后以较快速度减小且速度大小为前锋型>平均型>中锋型>后锋型>无降雨，此时降雨导致坝体土体含水率变大，使土体基质吸力降低，进而导致土体强度降低，且在坝体表面形成反向渗流场，会降低坝体的安全系数。无降雨时，安全系数减小幅度很小，存在降雨时安全系数减小幅度较大，说明此时降雨对下游坝坡的安全系数产生显著影响。不同类型的降雨对下游坝坡安全系数影响不同，数值模拟的安全系数大小规律是前锋型>平均型=中锋型>后锋型>无降雨。随着降雨持续进行，下游坝坡最终安全系数有雨工况趋于一致，均小于无雨工况安全系数，这与实际的坝体含水率变化一致，说明数值模拟结果较为准确。

(2)骤升工况。

库水位骤升时，上游坡安全系数先以较快速度增大，后缓慢减小，最后趋于稳定。骤升速率越大，则同一种降雨类型下的安全系数开始增大的时间越提前，有无降雨及降雨类型的变化对上游坝坡的安全系数变化影响较小。上游坡安全系数达到最大值的时间越快，是由于水压增载过程快，最终趋于稳定的安全系数值较为一致，说明库水位的变动对上游坡的影响较大；后期库水位稳定后，降雨仍持续时坝坡的安全系数基本保持不变，说明不同类型降雨对上游坡安全系数影响较小。

库水位骤升、有无降雨及降雨类型的变化对下游坝坡都有影响，降雨的前期安全系数几乎变化一致，有无降雨以及降雨类型对下游坝坡安全系数的影响无显著差异，5～7天后下游坝坡安全系数变化出现差异，均开始降低。在水位上升期库水位骤升产生影响主要体现在骤升速率越大，则相同降雨类型时下游坡安全系数开始缓降速度就越快，趋于稳定的时间越提前，有无降雨及降雨类型的变化影响主要体现在水位上升到正常蓄水位之后的稳定阶段，有无降雨及不同降雨类型的安全系数大小在稳定阶段前期变化速率为前锋型>中锋型>平均型>后锋型>无降雨，稳定阶段后期为中锋型>平均型>后锋型>前锋型>无降雨，其中平均型降雨和后锋型降雨对下游坝坡安全系数影响差异较小。

3 结论

(1)上游坝坡底部孔压变化对库水位骤变速率较为敏感，对有无降雨及降雨类型变化不敏感；上游坝坡中上部孔压变化对库水位骤变速率较为敏感，但敏感程度低于底部，其孔压变化对有无降雨及降雨类型变化亦不敏感。

(2)下游坝坡中上部孔压对库水位变化模式(骤升或骤降)及库水位骤变速率不敏感，对有无降雨及降雨类型的变化较为敏感；下游坝坡底部孔压对库水位骤降速率及有无降雨敏感，但对降雨类型变化不敏感。

(3)库水位骤降时，上游坡安全系数先以较快速度减小后缓慢增大较小幅度，最后趋于稳定。有无降雨及降雨类型的变化对上游坝坡安全系数变化的影响较小，库水位的变动对上游坡的影响较大。下游坡的安全系数先缓慢增大，后开始以较快速度减小。不同类型的降雨对下游坝坡安全系数影响不同，数值模拟的安全系数大小规律是前锋型>平均型=中锋型>后锋型>无降雨。

(4)库水位骤升时，上游坡安全系数先以较快速度增大，后缓慢减小，最终趋于稳定。有无降雨及降雨类型的变化对上游坝坡安全系数变化的影响较小，库水位的变动对上游坡的影响较大。库水位骤升、有无降雨及降雨类型的变化对下游坝坡都有影响，其中降雨对下游坡安全系数影响更大。