坝体加固前后渗流及坝坡稳定性对比分析

张 奇

（广东省源天工程有限公司,广东 广州 511340）

0 引言

渗流和坝坡稳定始终是土石坝坝体设计及管理的重点问题,设计不当、后期运行维护不及时不到位等会引发土石坝渗流异常,坝体浸润线持续升高,不利于下游坝坡稳定及坝体运行安全。我国过去所建造的土石坝因当时技术水平落后,相关规范不完善,而遗留了大量病险问题,使水库无法正常发挥灌溉、供水、防洪等功能,为此,必须在深入分析坝体加固前后渗流及坝坡稳定性的基础上,进行土石坝及病险水库加固防护。

1 坝体渗流及坝坡抗滑稳定分析原理

土石坝加固前后渗流计算主要基于达西定律,其一般形

式表示如下：

式中：vx、vy、vz为x、y、z渗透主轴向达西流速,m/s；kx、ky、kz为x、y、z渗透主轴向渗透系数；h为渗流场内计算点水头,m。

则稳定渗流微分方程为：

为简化分析,可将土石坝渗流问题简单视为x-y面的二

维渗流问题,则以上三维稳定渗流微分方程可简写为：

水库工程土石坝基本为非饱和状态,一般情况下主要应用土水特征曲线进行非饱和土石坝状态描述,该曲线属于非线性函数,本文采用Van Genuchten代理模型进行土水特征曲线贴合[1],同时进行土石坝土体实际含水量、坝体渗透系数、坝体基质吸力等参数函数关系及变动趋势特征的描述,表示如下：

式中：Se为有效含水饱和度；为坝体填筑材料体积含水量；s为坝体填筑材料体积含水量饱和值；r为坝体填筑材料体积含水量残余值；φ为坝体填筑材料基质吸力；a、n、m为土水特征曲线拟合参数；k为坝体填筑材料的渗透系数；ks为坝体填筑材料渗透系数饱和值。

基于土石坝有限元非饱和渗流计算以及边坡稳定分析结果,便可计算出土石坝坝坡最危险滑动面所对应的安全系数临界值。参考现有研究成果,水库非饱和渗流土石坝坝体填筑材料各项参数不确定性对土石坝可靠性及渗流稳定性影响程度的分析主要采用蒙特卡洛模拟方法,分析过程中所涉及的土石坝坝体填筑材料各项参数统计特征值均通过试验数据拟合、工程类比、既有参考文献等获取。

土石坝抗滑稳定分析方面,Bishop公式充分考虑土条间的作用力且计算过程较为简单,为此,此处主要采用简化的Bishop法[2]进行土石坝抗滑稳定分析,公式如下：

式中：Fs为坝坡安全系数；c'i为土石坝土体粘聚力,kPa；φ'i为内摩擦角,（°）；Wi为土条重量,kg；bi为土条宽,m；ui为土条底弧面中点孔隙水压力,kPa；ai为通过土体重心的半径和铅垂面夹角,（°）。

2 工程实例

2.1 基本资料

新疆和田地区皮山县境内的波斯干水库夹在昆仑山北麓河塔里木盆地西南缘之间,具体位于西昆仑山前低丘陵区,水库库区主要呈南部高北部低态势,同时也是波斯干流域出山口以上的一座山区性拦河水库。该水库在长期运行后目前主要表现出原排水棱体失效、浸润线持续升高、坝体渗流等问题。为有效解决该水库土石坝渗流并提升下游坝坡稳定安全,主要采取水库库盘区清淤,利用库盘清淤土料对后坝进行修整加固并设置排水体和排水沟,上游坝坡桩号0+013~0+048段进行削坡至安全坡比,对格宾石笼泄洪渠进行加固加高改造,同时将原已失效的排水棱体拆除后进行工程措施重建。通过本次除险加固,波斯干水库总库容可达到301.75×104m3,兴利库容60×104m3,死库容80×104m3。

2.2 计算方法及参数选取

计算模型选取波斯干水库最大坝高横断面,该断面基础高程1888.3 m,坝高最大值18.30 m,上下游坡比均为1∶2.5。按照设计要求进行大坝坝体加固后,坝顶宽度从原来的2.8 m增大至3.8 m,上游坡比则调整为1∶3.5,下游坡比不变。在下游高程1890.3 m处增设顶宽1.0 m的贴坡排水体,并按照3.0 m的坝基影响深度进行二维有限元计算。具体而言,主要通过GeoStudio分析软件中的Seep/w和Slope/w模块分别进行波斯干水库土石坝坝体渗透分析及坝坡抗滑稳定分析。按设计要求分别进行坝体、黏土斜墙、坝基、夹层、新建排水棱体等分区加固后各分区参数选取见表1。

结合工程实际,各分区材料参数并非固定值,而随着诸多影响因素的变动发生变异。根据对工程实际情况的考察,粘聚力变异系数和坝体内摩擦角变异系数分别取0.25 和0.15[3]。加固后的土石坝最大坝高截面离散模型共包括1459 个节点和单元尺寸1.0 m的2649 个三角形单元,设置边界水头条件,具体见图1。

图1 加固后的土石坝最大坝高截面离散模型

对于具体水库大坝而言,其土石坝基本上处于非饱和状态,故应进行波斯干水库大坝坝体非饱和渗流计算,同时考虑到土石坝坝体填筑材料实际渗透系数取值通常与土水特征曲线性状直接相关,为此必须进行水库大坝坝体、新建排水棱体等的非饱和渗流计算。

本文采用土水特征曲线中的Van Genuchten代理模型进行该水库土石坝非饱和渗流及坝坡稳定性分析,波斯干水库大坝坝体填筑材料饱和体积含水量s取0.045,土水特征曲线拟合参数a、n、m分别取0.6765 kPa、2.68和0.6269,在此基础上进行波斯干水库土石坝水平向（X向）渗透系数与土体基质吸力、坝体体积含水量与土体基质吸力等参数的函数关系,具体见图2和图3。

图2 波斯干水库土石坝X向渗透系数与土体基质吸力关系

图3 波斯干水库土石坝坝体体积含水量与土体基质吸力关系

3 加固前后坝体渗流及坝坡稳定分析

选取稳定渗流工况下三种水位进行土石坝加固前后渗流稳定分析,结果见表2,由表2 中结果可知看出,波斯干水库土石坝加固后坝坡稳定安全系数比加固前明显增大,且渗透坡降和渗流量取值均有所减小,充分说明,加固措施适用且有效。

表2 稳态工况下土石坝加固前后渗流稳定结果

以波斯干水库库水位骤降为瞬态渗流工况,在48 h的分析过程中水库大坝坝坡上游水位从1883.8 m骤降至1881.94 m的,前值为该水库正常蓄水位,后值为水库死水位。根据对水库大坝加固后瞬态库水位骤降工况历时48 h时边坡渗流及稳定性结果的分析,由简化Bishop法计算得上下游坝坡安全系数分别取2.510 和1.849,符合水利工程设计规范所规定的至少1.15 的标准值。

当库水位发生骤降时,上游坝坡加固前失稳概率始终围绕0%小幅度变动,而下游坝坡加固前失稳概率随水位升高起初缓慢增大,在5285 s后快速下降,从起初不符合规范到随后符合规范；上游坝坡加固后失稳概率仍始终围绕0%小幅度变动,而下游坝坡按设计要求采取加固措施后失稳的概率随库水位升高而呈降低趋势,这一变动也与相关规范要求较为符合,并待水库土石坝结构内孔隙水压力达到完全消散状态后,下游坝坡失稳的可能性以及安全系数逐渐达到稳定水平,分别见图3和图4。图3加固后上游坝坡安全系数最大取3.2,且比加固前明显增大；图4加固后下游坝坡失稳概率大大减小,加固后水库大坝结构性能安全,说明波斯干水库大坝所采取的“清淤+削坡+新建排水棱体”除险加固措施取得了预期效果。

图4 上游坝坡安全系数

图5 下游坝坡失稳概率

4 结论

综上所述,波斯干水库大坝渗漏主要采取“清淤+削坡+新建排水棱体”的加固措施,通过进行该水库土石坝坝体除险加固后库水位从正常蓄水位骤降至死水位工况下坝体渗流及坝坡稳定性等情况的模拟分析,主要取得了以下几点结论：（1）随着库水位的急剧下降,且以基质吸力原因的存在,该土石坝坝体内会出现十分不利于上游坝坡稳定的逆向渗流；并待水库大坝坝体结构内孔隙水压力完全消散后,坝坡安全系数及失稳概率才会趋于平稳。（2）采取“清淤+削坡+新建排水棱体”的加固措施后,该水库大坝浸润线下降,坝体渗流明显降低,上游坝坡安全系数以及下游坝坡失稳概率等取值也均达到设计规范要求水平；且波斯干水库大坝加固后库水位急剧下降后上游坝坡安全系数明显增大,下游大坝坝坡失稳概率明显减小,充分表明本水库大坝所采取的“清淤+削坡+新建排水棱体”的加固措施切实可行。