基于观测资料反演的土石坝渗流稳定计算分析

2022-06-21简鸿福冷美玲

水利规划与设计 2022年4期

吕辉，简鸿福，戴霖，冷美玲

(1.江西省水利科学院，江西南昌 330000；2.江西省洪图技术咨询有限公司，江西南昌 330000)

1 概述

观测资料分析和数值模拟计算是复核大坝渗流稳定安全与否的常用手段[1- 2]。通过观测资料分析，可以了解大坝在不同库水位条件下的渗流性态，并对坝体防渗与排水设施的性状进行初步判断[3- 4]。数值模拟则可实现大坝在单一运行工况或多种联合工况[5- 8]下的渗流稳定模拟计算，是大坝安全复核的重要内容。由于坝体各分区的材料参数的真实性对数值模拟计算的结果影响较大[9]，尤其是防渗墙和排水棱体的渗透系数往往受施工、坝体变形及运行期间发生问题的影响，与原设计值差异较大，容易造成模拟计算结果与实际不符。本文以某水库为例，通过观测资料分析并反演出符合实际情况的材料渗透系数，并在此基础上进行正常运行和非正常运行工况下的渗流与稳定计算，对大坝渗流安全和坝坡稳定状态进行评价，为水库下一步开展大坝安全评价和除险加固提供依据。

2 工程概况

某水库大坝为均质土坝，沿坝轴线设混凝土防渗心墙进行防渗，坝顶设混凝土路面，上游坝坡采用抛填块石护坡和混凝土预制块护坡，下游坝坡为草皮护坡，坝脚设排水棱体。坝顶高程89.80m，最大坝高39.2m，坝顶长455.0m、宽5.5m；混凝土防渗墙厚0.8m，顶高程87.0m，底部深入基岩不小于1.5m。上游坝坡在高程81.60m设一宽2.0m的马道，高程70.90m设一宽4.0m的马道，高程70.90m以上采用混凝土预制块护坡，坡比自上而下分别为1∶2.70、1∶3.00，高程70.90m以下采用抛填块石护坡，坡比为1∶4.50；下游坝坡为草皮护坡，在高程80.50、71.00m分别设2.0m宽的马道，自上而下坡比依次为：1∶2.50、1∶2.85、1∶3.00。坝脚设排水棱体，顶高程61.30m，顶宽2.5m，内坡1∶1.00，外坡1∶1.50。

大坝渗流观测在坝体桩号0+135、0+250、0+330三个断面布置了测压管，每排4根，共设置了12个测点，分别位于上游坝坡高程88.40m和下游坝坡高程88.20、80.60、71.10m处。

水库在运行过程中，大坝右坝肩挡土墙存在1处渗水逸出点群，当库水位上升至74.5m时开始渗水，且渗水量随库水位上升而增大。经开挖检查，大坝排水棱体仅表层约25cm厚有较大块石堆砌，挖开表层块石后，为1层厚度约30cm的黏土层，黏土以内棱体内无大块石堆填，仅由风化料和黏土混合在一起，风化料粒径细小，未见反滤层。

3 观测资料分析

根据历年观测资料分析及大坝运行情况，坝体0+330断面混凝土防渗墙后浸润线下降缓慢，浸润线出逸点位置偏高，因此选择该断面为主要分析对象。图1表示2010年9月9日—2017年12月31日期间，大坝0+330断面处的测压管管水位与库水位变化过程线，图2表示最高库水位83.74m与历年平均库水位74.39m工况下的大坝测压管水位位置图。由图1可知，该断面测压管管水位与库水位具有较好的相关性，但相对库水位存在一定的滞后性；图2中，DU9与DU10管水位平均水头差为8.21m，消杀位势42%，防渗墙仍具有一定的防渗效果。测压管DU11、DU12管水位下降较慢，表明下游排水棱体存在淤堵，与实际检查情况一致。

图1 坝体0+330断面测压管管水位变化过程线

图2 坝体0+330观测横断面测压管水位位置图(单位：m)

4 计算模型与参数反演

4.1 计算模型

为分析水库大坝渗流稳定情况，选取大坝桩号0+330断面为计算模型进行分析，如图3所示。大坝各分区材料参数见表1。根据施工资料记载，防渗墙采用了冲击钻造墙、人工挖孔桩回填等施工工艺，在灌注过程中多次出现塌孔；排水棱体为土和风化石料的混合体，且运行时间近50年，淤堵非常严重。因此，在选择材料参数时需重点考虑防渗墙与排水棱体的渗透系数。

图3 计算模型及材料分区

表1 大坝各分区的材料参数统计表

因2015年7月10日—9月1日库水位基本稳定在79.00m左右，所以选取2015年9月1日库水位79.13m为模型上游边界，下游水位55.00m为模型下游边界，大坝基础按不透水边界考虑。

4.2 参数反演计算与分析

Frelund和Rahardjo研究[10- 11]指出，与饱和土体中渗流一样，非饱和土中渗流也符合达西定律和连续性方程。只是在非饱和土中渗透系数不再是常数，而是随基质吸力变化的函数，土中体积含水率随时间变化而改变。将达西定律导入渗流连续性方程，可得到非饱和土的渗流控制方程为：

(1)

式中，kx、ky—x、y方向的渗透系数，cm/s；γw—水的重度，N/m3；θw—体积含水率，%；t—时间，s。

因此，本次反演计算基于以上数学模型，结合观测资料分析结论，选择防渗墙和排水棱体的渗透系数作为变量，采用有限元计算软件Geostudio中的Seep模块对模型在某时段稳定库水位情况下的渗流过程进行反演计算，将计算获得的浸润线与该时段对应的测压管水位进行对比直至达到相对吻合状态，最后确定现状混凝土防渗墙和排水棱体的渗透系数。以实测测压管水位为参照依据，经反复试算确定混凝土防渗墙和排水棱体的渗透系数，结果见表1—2。由表1—2可知，当防渗墙和排水棱体渗透系数分别采用5.0×10-7、5.0×10-5cm/s时，实测测压管水位数据与模型计算数据的差值绝对值占上、下游水头差的百分比为1.45%～4.19%，差值百分比在10%以内，说明二者浸润线趋势基本一致，而采用原设计参数进行计算得到的结果与实际相差较大，如图4所示，表明防渗墙和排水棱体的渗透系数反演计算结果与实际情况基本吻合，所建数学模型与大坝运行状况相符，选取调整后的参数进行计算基本合理。由图4中反演计算值与原设计值的对比分析可知，防渗墙与排水棱体的渗透系数与原设计值的差值达到1个量级及以上。

表2 0+330断面测压实测管水位与反演计算水位对比分析表

图4 大坝稳定渗流反演计算结果与测压管水位对比图(单位：m)

5 渗流与稳定计算

5.1 渗流计算

采用GeoStudio软件中的Seep模块对大坝稳态和瞬态2种情形下渗流过程进行模拟计算。本次渗流计算工况见表3，其中工况4考虑了库水位以最快速度下降的情况，并假设库水位降落过程中无降雨的影响，不考虑来水。

表3 渗流计算工况

根据毛昶熙主编的《渗流计算分析与控制》，坝坡的临界渗透坡降可按下式计算：

(2)

工况1—4渗流计算结果分别如图5—8所示。

图5 工况1渗流计算结果图(单位：m)

图6 工况2渗流计算结果(单位：m)

图7 工况3渗流计算结果图(单位：m)

图8 工况4渗流计算结果图(单位：m)

大坝稳定渗流计算值及渗流量见表4，从表4中的结果可以看出，大坝0+330断面防渗墙能消减水头作用明显，该断面混凝土防渗墙体渗透坡降为13.40～16.90，小于80；下游坝坡出逸坡降为0.48～0.56，小于临界渗透坡降，在渗流出逸点直接发生渗透破坏的可能性不大。但由于下游排水棱体的淤堵，在校核洪水位下，下游坝坡出逸点位置较高，从排水棱体顶以上2.2m处坝坡出逸，降低下游坡的抗剪强度，不利于坝体稳定。

表4 大坝稳定渗流计算值及渗流量表

5.2 坝坡稳定计算

由于该水库库区地震基本烈度为Ⅵ度，可不进行大坝抗震稳定计算。坝坡抗滑稳定计算在渗流计算结果的基础上进行。本次坝坡稳定计算采用了GeoStudio软件中的Slope模块，使用简化毕肖普法算出圆弧滑裂面的安全系数，并找出相应于简化毕肖普法的最小安全系数。由表5可知，大坝0+330断面在稳态渗流(工况1—4)情况下，下游坝坡抗滑稳定最小安全系数均不满足SL 274—2020要求；在瞬态渗流(工况4)情况下，上游坡抗滑稳定最小安全系数为2.022(有效应力法)，满足SL 274—2020要求。