水位波动对土石坝稳定性影响分析

许臻真

(太原市水利技术推广服务中心，山西 太原 030002)

为确保广大人民群众的生命和财产安全，自1949年至今，我国组织修建了众多的水利水电工程，成为世界上大坝数量增长最快的国家之一。由于受到气候变化等因素的影响，河流水库的水位会经常产生波动，从而破坏大坝的稳定性，导致大坝边坡失稳事件频发[1]。近年来，世界各地极端天气事件频繁出现，水库的水位波动较大，这对水库大坝的安全运营提出了新的挑战。如2021年河南省郑州市因遭遇特大暴雨而发生洪灾，其中，五星水库的大坝边坡有3处失稳，产生多条裂缝。因此有必要研究水位波动对大坝边坡渗流场、稳定性的影响规律。

唐栋等[2]采用非饱和土渗流分析的方法，研究了不同初始条件对边坡稳定性的影响。结果表明：土体的渗透性越好，边坡稳定性受前期降雨的影响就越明显；计算时应将平均降雨量对应的渗流场作为初始条件。王志浩[3]研究了水位变化对库岸边坡稳定性的影响，结果表明：水位的变化是导致边坡失稳的主要因素。水位下降对边坡的稳定性不利，水位上升有利于边坡保持稳定，但在长时间强降雨的作用下，边坡的稳定性出现了明显的下降。李卓等[4]以龙江水电站滑坡区的实际降雨数据为基础，通过模型试验研究了降雨作用下边坡的失稳特性。结果表明：前期降雨时由于雨水的入渗，导致土体强度降低，丧失部分基质吸力，再次降雨容易产生滑坡。曾润忠等[5]使用ABAQUS有限元软件，分析了降雨和水位波动共同作用下库岸边坡稳定性的变化情况。结果表明：在降雨和水位上升的共同作用下，边坡稳定性变化不够明显；但在降雨和水位下降共同作用时，边坡的稳定性出现了明显的下降，降雨强度越大稳定性下降就越明显。

综上所述，降雨、水位波动对边坡稳定性的影响比较明显。但现有的研究多针对近坝岸边坡的渗流特性和稳定性变化。在现有的研究中，很少见到有学者研究降雨和水位波动共同作用下水库大坝边坡渗流特性和稳定性变化规律。因此，本文以某水库的土石坝为例，采用有限元分析软件Geo-studio，研究了降水和水位波动共同作用下大坝边坡渗流特性和稳定性系数的变化规律，并与实测数据进行对比，验证模型的可靠性和准确性。

1 工程概况和模型建立

本文以某水库大坝为研究对象，该大坝修建于1977年，坝体类型为黏土心墙坝，坝顶高程为112m，长335m，宽8m，大坝的典型剖面图如图1所示。其中上游的坡度从左到右分别为1∶3、1∶3.5、1∶4、1∶4、1∶4、1∶2.75、1∶2.5，下游的坡度从左到右分别为1∶2.3、1∶4.5、1∶1.5、1∶1.5、1∶1.5。坝体的物理参数见表1。

表1 大坝材料物理参数表

图1 大坝典型剖面图及监测点布置

以图1所示的典型剖面图为例建立有限元模型，如图2所示。该模型网格采用的是非结构化四边形和三角形网格。在边界条件设置上，大坝上游边坡靠近水库，因此ab段定义为水头边界；bc段为流量边界，模拟降水工况；大坝下游边坡不临水，同样设置为水头边界；其余边界均设置为不透水边界。

图2 数值计算模型图

2 计算分析

不同计算工况见表2，其中工况1模拟降水对大坝的影响，工况2～工况4模拟水位波动对大坝的影响，工况5～工况7模拟降水和水位波动共同作用对大坝的影响。

表2 计算工况

2.1 模型验证

为了验证模型的准确性，分别在大坝防渗墙前、后布置一根测压管，如图1所示。将实测结果与工况1的计算结果进行对比，对比结果见表3。在7月1日，两根测压管的水位分别为95.29和79.5m，此时计算模型中所得到的浸润线高程为96.23和80.31m，分别比实测值高了0.98%和1%；在7月20日时，测压管水位高度分别为97.89和79.45m，所得到的浸润线高程为98.55和80.37m，分别比实测值高了0.67%和1.16%。这说明计算值与实测值之间的差距较小，模型计算结果有效。

表3 实测值与计算值的比较

2.2 孔隙水压力变化情况

为了监测降水和水位变化过程中大坝孔隙水压力的变化情况，分别在大坝的上游、下游和坝顶设置若干个孔隙水压力监测点。其中大坝上游和下游边坡分别设置3个监测点，埋置深度均为坡表下5m；坝顶处监测点共有5个，每个监测点的竖向距离为5m。监测点的分布情况如图1所示。

工况1的孔隙水压力模拟结果如图3所示，即降水对大坝孔隙水压力的影响。从图3(a)中可以看出，7月1日的降水量约为49mm，小于大坝的渗透系数，因此所有的降水量渗入大坝。而到7月5日后，降水量有较大提升，达到了165mm，当天的降水量明显高于大坝的渗透系数，但降水量有限，只有大坝表面土体达到饱和状态，所以L1和L2两处的孔隙水压力上升非常明显。在降水结束后，5个监测点的孔隙水压力分别达到了0、10.33、25.60、42.61、76.63kPa。这说明前期降水对大坝表层土体的影响明显，影响深度达到了25m，整个大坝的土体都接近饱和状态。

图3 降水作用下大坝孔隙水压力变化曲线

由图3(b)可知，降水对W1处的孔隙水压力影响较大，孔隙水压力变化不大。主要是因为降水过程中，雨水不断渗入，导致W1处的孔隙水压力逐渐上升；而W2和W3两个监测点始终位于库水位以下，所以受降水影响很小。在整个降水过程中，W1处的孔隙水压力由-65.81kPa上升到20.22kPa，增加趋势非常明显。

降水对大坝下游孔隙水压力的影响如图3(c)所示。从图上可以看出，P1和P2两个测点的孔隙水压力的变化非常明显，分别增加了200.67和192.65kPa，P3的孔隙水压力仅增加了24.34kPa。这主要是因为P3始终位于浸润线以下，前期降水对浸润线的抬升效果不明显，所以在整个过程中P3的孔隙水压力变化较小。

给出了水位波动对大坝孔隙水压力的影响曲线如图4所示。从图中可以看出，大坝下游的孔隙水压力几乎不受水位波动的影响；但大坝上游孔隙水压力受水位波动的影响较大。由于W1位于水位之上，因此当水位下降时，该处的孔隙水压力变化非常缓慢；W2和W3均位于初始水位之下，其孔隙水压力会随水位的下降而减小，水位下降速率越快，孔隙水压力的下降速率也越快。

图4 水位波动对大坝孔隙水压力的影响

降水和水位波动共同作用下大坝孔隙水压力变化曲线如图5所示。通过和图3—4对比可以发现，W1处和大坝下游的孔隙水压力主要受到降水的影响，孔隙水压力会随着降水的增加而不断上升；而W2和W3的孔隙水压力主要受到水位变化的影响，降水对其影响可以忽略不计。

图5 前期降水和水位波动共同作用下大坝孔隙水压力变化曲线

2.3 大坝边坡稳定性变化情况

降水作用下大坝边坡安全系数的变化情况如图6所示。从图中可以看出，在降水期间和降水结束后的20d内，大坝上游边坡的安全系数下降缓慢。但大坝上游边坡的安全系数在降水期间变化幅度很小，在降水结束后边坡的安全系数突然开始快速下降，最终下降至1.54。这说明降水主要是大幅度降低大坝下游边坡的稳定性，边坡稳定性的变化存在一定的滞后性。

图6 降水作用下大坝安全系数变化曲线

水位变化情况下大坝边坡稳定性的变化情况如图7所示。从图7(a)中可以看出，在水位下降的过程中，上游大坝的安全系数也在下降，而且水位下降速率越快，安全系数下降的也越快；当水位停止变化后，安全系数则会随着时间的推移而缓慢上升。主要是因为在水位下降过程中，大坝中浸润线的下降存在滞后效应，导致水力梯度较大，另一方面是坡面上的水压力消失，土体中水向外渗流会产生拖拽力，最终使抗滑力减小，下滑力逐渐上升[6-7]。在水位停止下降后，浸润线逐渐保持稳定，土中有效应力逐渐上升，使抗滑力有所提高，所以该阶段的安全系数会有所提高。从图7(b)中可以看出，随着水位的下降，大坝下游边坡的安全系数会逐渐升高，但总体的变化幅度很小。安全系数的变化幅度与水位下降速率呈正相关。

图7 水位波动对大坝安全系数的影响

降水和水位波动共同作用下大坝边坡的安全系数变化曲线如图8所示。从图中可以看出，上游大坝边坡的安全系数先减小再趋于稳定，其下降速率与水位下降速率呈正相关。在降水阶段，下游大坝边坡的安全系数呈现出缓慢下降的趋势，在降水结束后，安全系数的下降速率开始加快。

图8 前期降水和水位波动共同作用下大坝安全系数变化曲线

3 结语

文章采用有限元分析软件对某土石坝在降水和水位波动情况下大坝边坡孔隙水压力、安全系数的变化规律进行分析，得出以下结论。

(1)随着降水量的增加，大坝表层土体逐渐饱和。降水结束后，雨水不断向土体中渗入，导致浸润线持续向大坝内部移动，使大坝不同深度处的孔隙水压力变化时间晚于降水时间，具有一定的滞后性，埋深越大滞后越明显。

(2)降水期间下游大坝边坡的安全系数变化较小，降水结束后下游大坝边坡的安全系数下降幅度较大。大坝的安全系数相对降水存在一定的滞后性，因此需要注意降水后大坝的稳定性。

(3)下游大坝边坡的安全系数主要受降水的影响，上游大坝边坡的安全系数主要受水位波动的影响。降水和水位波动共同作用下大坝边坡安全系数的变化幅度大于降水或水位波动作用下大坝边坡安全系数的变化幅度。