土石坝渗流与稳定性的数值模拟分析

2022-04-11严雷光

陕西水利 2022年3期

严雷光

（宁波市鄞州区水利水电勘测设计院,浙江宁波 315100）

0 引言

土石坝有着经济效益好、抗震性能好、施工方便等优点,因此,在工程中普遍使用土石坝这种坝型。但在大坝建造使用的工程中还存在许多的问题如渗流、失稳等,这些问题是造成大坝事故的原因。对此研究者们做了相应的研究分析。陈祖煜［1］以土质边坡作为研究对象,从边坡的原理,方法和程序这三个方面入手着重分析了土质边坡的边坡稳定性；程鲲、王党在等人［2］提出了将复合土工膜作为防渗材料加入土石坝中并使用数值模拟的方法对大坝进行了渗流分析；程学磊、崔春义等人［3］首次介绍了COMSOL Multiphysics软件在岩土工程中的应用并给出了详细的岩土工程算例；丁参军、张林洪等人［4］基于国内边坡稳定性分析的研究现状详细阐述了各种研究方法的基本原理和基本特点以及各种方法的适用范围,并且针对性的提出了边坡稳定性方法的研究趋势；高骥、雷光耀等人［5］采用数值模拟的研究方式建立了饱和-非饱和渗流坝体的计算模型研究分析了堤坝饱和-非饱和状态下的坝体稳定性；黄春娥、龚晓南等人［6］提出了一种新的方法计算渗流作用下的边坡稳定性并将其结果与常用的方法进行了对比验证；连镇营、韩国城等人［7］全面研究了强度折减法在边坡稳定性求解中的应用,得出了该方法具有良好的应用前景这一结论；在此基础上,李广波等人［8］详细探讨分析了使用应力分析、强度折减两类不同的边坡稳定性求解方法的相关细节并就计算结果进行了算例对比分析。

综合上述研究,本文基于某实例工程使用COMSOL Multiphysics就铺设土工膜后不同蓄水位时期的坝体渗流和稳定性进行了详细的分析,并使用常用的理正软件进行了对比验证。

1 工程概况

1.1 地质情况

本研究选取咸阳市某水库大坝工程作为研究对象。根据该实例大坝工程水文地质资料可得知该土石坝坝基和坝体填土分别为砂岩和砂砾岩,其计算参数见表1。本工程正常库水位为920.3 m,死水位为890.0 m,通过计算发现需要27.5天可排放完所有水量。

表1 土石坝计算参数

1.2 上游坝坡处理

由于上游坝体坡面存在滑坡的危险,达不到渗透稳定的要求,因此本文对上游坝坝坡进行了土工膜铺设处理,已达到防渗效果。根据当地提供的土工膜规格和规范处理要求本研究选取了300/0.6/300 的土工膜,其渗透系数为1.2×10-11cm/s。在建模过程中为了建模分析方便,将符合土工膜渗透系数等效为1.2×10-7cm/s,土工膜厚度取为6 m。图1为土工膜等效后的大坝断面示意图。此处应当注意的是,土工膜对大坝的强度是没有影响的,仅仅有防渗作用,即降低坝体内部的渗透水压力使得坝体的安全性得到提高。在后续的稳定分析工程中无需考虑土工膜的作用,仅需要将渗流分析结果导入软件后进行稳定分析。

图1 土工膜等效后的大坝断面示意图

2 模型介绍

本节利用COMSOL Multiphysics 有限元分析软件依据上述大坝资料建立了图2所示模型。为使得计算分析结果更加准确,在对该二维模型进行网格划分时需要注意网格类型选择为标准大小的的用户控制网格,图3为划分网格之后的坝体模型图。

图2 软件中建立的几何模型示意图

图3 坝体模型网格划分图

3 结果分析

3.1 渗流分析

图4和图5分别为大坝正常蓄水位稳定期渗流浸润线和大坝库水位降落期渗流浸润线图。由图可知,两种工况下计算得到的浸润线位置均比较低,考虑到这是在上游铺设土工膜作用造成的。根据西北水力报告规定的允许比降［Jp］=0.53,通过对比发现在正常蓄水位时,渗透最大位置在槽底部且最大渗透比降为2.23,坝体内部的最大渗透比降为0.25,是在允许范围内的。因此不难得出该土石坝渗透性良好,不会发生破坏。当大坝的水位为库水位降落期时,大坝上游的最大渗透比降为0.02,同样满足规定的要求。因此,在此种水位下土石坝的渗透性良好,不会发生破坏。

图4 大坝正常蓄水位时渗流浸润线

图5 大坝库水位降落期渗流浸润线（t=27.5 d）

3.2 稳定分析

本节为进一步对大坝稳定性进行分析,对比研究了渗流稳定期、非渗流稳定期、施工期（竣工期三种不同工况下的最小安全系数。在各工况下坝体的稳定性对比结果见表2,由表2可知,大坝下游的最小安全系数均小于大坝上游的最小安全系数。

表2 大坝稳定性对比分

3.3 对比分析

由上述渗流和稳定性分析可知,在上游坝进行土工膜铺设这一措施后使得大坝在正常蓄水位的浸润线位置下降,在库水位降落期浸润线位置同样下降但相比于正常蓄水位变动很小。因此,库水水位的降落对上游坝坡的稳定性基本上是没有影响的。此外,为了更进一步分析土工膜对大坝渗透稳定性的作用,本节详细分析在库水水位降落过程中的坝体变化特征。图6~图8为（t=27.5）库水水位降落至死水位这一骤降过程中使用不同求解方法计算得到的下游坝体滑弧变化图。

（1）工况一

图6为采用总应力强度折减法计算得到的下游坝体滑弧示意图。通过计算可以得到大坝的最小安全系数,其值为1.4,是符合规范要求。

图6 总应力法求解下游滑弧示意图

（2）工况二

图7为采用有效应力强度折减法计算得到的坝体滑弧位置图,且通过计算可以得到大坝的最小安全系数,其值为1.53,同样符合规范要求。

图7 有效应力法求解下游滑弧示意图

（3）工况二

图8为采用总应力与有效应力的小值组合强度折减法计算得到的坝体滑弧位置示意图。并且通过软件计算得到该方法的最小安全系数为1.28,符合规范要求。

图8 小值组合法求解下游滑弧示意图

综上所述,三种不同计算方式的滑弧位置基本相同,且三种工况下的最小安全系数均比规范值要大,满足规范要求。因此可以推断在库水水位在正常蓄水位和库水水位骤降至死水位等情况下大坝的稳定性良好,即大坝是安全稳定的。

4 工程常用理正软件分析

4.1 渗流分析

（1）计算模型

为了进一步分析大坝渗流稳定性,本节使用工程中经常用到的理正软件对该大坝进行建模分析,根据上述大坝相关情况建立了图9所示的大坝几何模型。

图9 理正软件几何模型

（2）结果分析

通过计算得到了正常蓄水位稳定渗流时期和库水水位降落非稳定渗流时期的浸润线图,见图10和图11。由图可知,两种工况下的浸润线位置均有所降低,考虑到这是铺设土工膜造成的,这一现象与上述COMSOL Multiphysics软件模拟结果一致。并且,在正常蓄水位时,坝体的下游最大渗透比降为0.05,这一数值小于上述3.1节给出的标准值,因此,在下游正常蓄水位稳定渗流时期是不会发生渗透破坏的。当库水水位骤降到死水位时,即在库水水位降落期间各时段上游坝坡的最大渗透比降为0.02。这一数值小于规范值,因此坝体渗透比降满足要求,大坝不会发生渗透破坏。

图10 正常蓄水位稳定渗流期浸润线图

图11 库水位降落期非稳定渗流浸润线图

4.2 稳定分析

（1）计算模型

在进行渗透计算后将其渗透结果直接导入AutoBank 软件可以进行坝体的稳定性计算。图12和图13分别为渗流稳定时期和库水水位降落期间的稳定性计算模型。由图可知,水位骤降后浸润线明显下降,这与上述现象一致。

图12 稳定渗流期稳定性计算模型

图13 水位降落期稳定性计算模型

（2）计算结果

表4中给出了大坝稳定性计算的三种不同工况计算结果。由表4可知,由于上游坝坡铺设的复合式土工膜增大了坝体的渗透性使得各工况下的最小安全系数均大于下游坝坡的值。并且在各工况下的最小安全系数均满足规范要求,即大于规范值。不难得出该土石坝稳定性良好这一结论。此外,本节还详细给出了正常蓄水位、库水水位骤降（死水位）、施工期等三种不同工况下的坝体上游和下游滑弧位置示意图,见图14~图23。通过上述图表可以发现在正常蓄水位、库水水位降落期、施工期三种不同工况下的大坝坝坡的稳定性良好。