基于Geo-Studio软件龙坑口水库土坝渗流稳定性分析

陈景辉

(开平市水口镇农业综合服务中心，广东 开平 529300)

1 概 述

我国水库数量位居世界榜首，多数修建于 20 世纪 50-70 年代，因施工处理不当、填筑标准低、大坝及堤防工程建设失控、建设工程监管不严、技术开发落后、违章施工等不利因素引发系列安全问题，造成大坝及堤防渗漏、坝体裂缝、坝体渗流等事件[1-2]。因此，探讨综合考虑渗流、变形等稳定性分析方法具有重要的理论意义和工程实用价值[3]。

目前，许多学者针对土坝渗流进行了大量研究。杜二霞[4]采用有限元的方法对均质土坝二维稳定和非稳定渗流进行了分析，并编制了二维稳定和非稳定渗流情况下计算各渗流要素的有限元分析程序。赵晓西等[5]根据基本方程及定解条件的比较分析,将ANSYS 软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析,利用 APDL 语言实现了渗流参数化建模对其稳定性进行分析。周建国等[6]建立了饱和-非饱和非稳定渗流计算模型,采用三维有限元方法，模拟了坝址区域地下水位在水库蓄水过程中的动态变化过程，并对坝体稳定性进行分析。温岷峰[7]采用有限元法对某水库土坝渗流进行分析,并将计算浸润线与实测浸润线进行比较。黄梦婷等[8]运用Auto Bank有限元分析软件，对杏山水库土坝进行渗流稳定分析。赛麦提[9]在排渗池内对土坝进行建模,并分析坝体上游水位波动引起的渗流问题。王毅[10]基于比例边界有限元方法(SBFEM)，针对坝体上游水库为半无限棱柱形、坝前库区形状不规则的情况，完善了大坝-地基-库水系统动力响应的有限元和SBFEM耦合计算模型。刘美意[11]通过某工程实例,对水库土坝渗漏稳定展开分析,并提出了相关除险措施。

本文以龙坑口水库为例，采用Geo-Studio软件中SEEP/W进行大坝渗流分析，同时采用SLOPE/W程序中4种不同的极限平衡边坡稳定性方法，对大坝上下游边坡稳定性进行分析，研究结果可为类似工程提供参考。

2 工程概况

龙坑口水库位于开平市水口镇沙冈区街道办事处寺前圩北面梁金山南麓,属潭江新桥水,保护耕地80hm2。经过多年运行,部分工程建筑物损坏,影响水库安全，于2004年对水库进行了除险加固。主要除险加固项目有：①大坝加固工程；②溢洪道加固工程；③输水涵管加固工程；④防汛公路等。

其中，水库有溢洪道1座，位于大坝左侧，为钢筋混凝土结构开敞式河岸正槽等宽矩形溢洪道。溢洪道堰顶宽12.00m，堰顶高程25.36m，最大下泄流量76.30m3/s，采用挑流消能。水库有放水涵管一座,位于大坝中部偏左处,为钢筋混凝土方形涵管内套钢管结构,过水断面尺寸为0.8m，采用闸门控制放水，进口高程为18.60m，长70.00m，设计流量0.5m3/s。防汛公路长2km,为砼路面。大坝下游坝肩、坝脚设有排水沟,下游坝脚设有排水棱体，排水棱体完整且有效,但排水棱体及坝脚排水沟内侧有砂浆勾缝，不利于排出坝体渗水。现场检查溢洪道整体外观良好,主体砼结构表面基本平整,无剥蚀、冲刷现象，未见沉降、倾斜等变形异常，但进口右侧挡墙局部有裂缝；泄槽底板有三道较明显的横缝；左岸山体常年有股清水流出，渗漏量较大，因此有必要对坝体稳定性和渗流进行分析。

3 数值模型建立

本文建立的大坝数值模型结构中，大坝横断面的尺寸、材料区域和土壤性质根据现场试验取得，大坝有心墙、坝体、坝基、反滤层，总高度24.4 m，最高水位可达22.6 m，土壤水特征曲线(SWCC)是分析非饱和材料条件下土坝的关键部分。由于大坝材料的实测SWCC不可用，因此本文的心墙计算参数根据勘测数据进行估算取得。本次采用Geo-Studio软件进行分析，包括瞬态渗流分析以确定水位下降期间的孔隙水压力，以及上游坝坡的稳定性分析，两种分析均在自动耦合模式下进行。表1为计算参数，图1为具体坝体尺寸。

表1 数值计算参数

图1 坝体尺寸

本次计算的渗流模拟主要采用SEEP/W中的有限元方法，分别模拟快速降深前和降深过程中土坝的二维稳态渗流和瞬态渗流变化。该程序采用有限元方法，求解二维渗流的一般控制微分方程为：

(1)

式中：H为总水头；kx为X方向的导水率；ky为Y方向的导水率；Q为边界通量；θ为体积含水量；t为时间。

而对于大坝稳定性分析模块，本文采用SLOPE/W计算程序，根据力和力矩的极限平衡理论，采用以下两个独立方程式来估算抗破坏安全系数，其中应满足力矩平衡和水平力平衡：

(2)

(3)

式中：A为外力的合力；E为水平片间法向力；N为作用在切片底座上的总法向力；X为垂直层间剪力；kW为施加在每个切片中心的水平荷载；W为每一切片的总重量。

4 数值结果分析

4.1 渗流分析

本文利用Geo-Studio软件对坝体(壳心)和坝基的渗流进行研究。图2为坝体的渗流边界条件，网格剖分包括四边形和三角形单元，分别有4个和3个节点。假设坝顶蓄水位是边坡左边界的临界情况，恒定总水头边界，其值为22.6m, 下游侧的水头为0 m，首先确定浸润线，以表示流网的顶部水力边界, 然后进行稳态渗流分析。图3为坝体的渗流计算结果。图3中，在稳态条件下，浸润线穿过下游斜坡处的坝体，不与下游面相交，因此不会导致下游边坡软化或坍塌而导致后续破坏。此外，最大孔隙水压力位于上游过渡带底部，这是因为最大水位(22.6 m)下的初始孔隙水压力高于任何其他水位下的值。孔隙水压力随着水位、速度矢量大小(矢量箭头)、通过颗粒的流动路径和通过坝体的平均水流速度的增加而增加，平均流速为0.061 279 m3/d。图4为距坝基不同距离处的水力梯度值。由图4可知，水平和垂直水力梯度的最大值出现在下游出口点，分别为0.63和0.17，最大水平和垂直水力梯度小于1。

图2 坝体的渗流边界条件

图3 坝体的渗流计算结果

图4 距坝基不同距离处的水力梯度值

4.2 边坡稳定性分析

目前，边坡稳定性分析的极限平衡方法均是基于有关层间法向力(E)和剪力(T)的某些假设成立的，包括Bishop、Janbu、Morgenstern-Price和常规极限平衡方法。本文所使用的有限元程序SLOPE/W均包含了以上分析方法，这些方法的基本区别在于力的确定或假设方式。图5为通过Janbu法计算得出的边坡安全系数。根据图5可知，Janbu法计算出的上游边坡安全系数为2.874，而下游边坡安全系数要低于上游边坡，为2.121。图6为通过Bishop法计算得出的边坡安全系数。由图6可知，Bishop法计算出的上游边坡安全系数为3.811，而下游边坡安全系数同样要低于上游边坡，为2.831。同时，本文采用的Morgenstern-Price和普通条分法所计算出来的上下游边坡安全系数分别为3.521、2.711和3.181、2.398。

由此可知，Janbu法在上游和下游边坡中产生的安全系数最低，而Bishop方法在上游和下游边坡中产生的安全系数最高，但所有获得的安全系数值均高于1，预计不会出现边坡破坏。此外，Morgenstern-Price方法被认为是最适合用于圆形和非圆形破坏表面的方法，并满足基本法向力的垂直力平衡。

4.3 大坝加固分析

通过以上数值模拟分析结果可知，虽然边坡趋于稳定，但渗流分析得出水平和垂直水力梯度的最大值出现在下游出口点，因此有必要进行事先的加固措施。现阶段，水利工程针对坝体防渗和加固通常会采取以下几种常用手段：高压喷射注浆法作为一种简便易操作的技术，可以对涵盖整个操作工艺环节进行整体性规划，并且能够确保浆液固结体可以持续性地维持高强度。基于上述两个优势，在堤坝坝基的覆盖层、接触带场景等应用领域经常可以看到高压喷射注浆法的应用案例。另外，高压喷射方式会对形成的固体形态产生直接影响，一般情况下的堆石体情况等复杂环境下常常采用防渗墙的结构。通常情况下，高压喷射采用单管喷射的基本方式，但有的复杂应用场景下需要选择双管喷射、甚至是三管喷射的方式。垂直铺塑防渗技术具有操作简便以及施工成本低等优点，常用于低水头堤坝处进行防渗作业。因此，本文根据大坝实际情况，建议采用垂直铺塑防渗技术，就能够对大坝渗流破坏起到预防作用，在经济和安全上达到平衡。

图5 Janbu法计算得出的边坡安全系数

图6 Bishop法计算得出的边坡安全系数

5 结 论

本文以龙坑口水库为例，采用Geo-Studio软件中SEEP/W进行大坝渗流分析，同时采用SLOPE/W程序中4种不同的极限平衡边坡稳定性方法，对大坝上下游边坡稳定性进行分析。结果表明，由于浸润线位于土坝下游侧，因此无内部侵蚀。在最大水库水位(22.6 m)下，通过坝基和坝体的总渗流量为0.061 279 m3/d。此外，出口水力梯度似乎与水库水位呈二次关系。对于边坡稳定性，Janbu法计算出的上游边坡安全系数为2.874，而下游边坡安全系数要低于上游边坡，为2.121；Bishop法计算出的上游边坡安全系数为3.811，而下游边坡安全系数同样要低于上游边坡，为2.831。而采用Morgenstern-Price和普通条分法所计算出来的上下游边坡安全系数分别为3.521、2.711和3.181、2.398。由于所有获得的安全系数值均高于1，预计不会出现边坡破坏。