土石壩庫水位變化下的穩(wěn)定性分析

鄭 昊

(黑龍江省胖頭泡蓄滯洪區(qū)管理中心，黑龍江 大慶 16300)

0 前 言

在大壩滲漏造成的安全事故中，庫水位急劇升降變化所帶來的非穩(wěn)定滲流問題占比最大，其中水位驟降期占60%，水位上升期占40%，多數(shù)發(fā)生于初期蓄水期間。壩體破壞通常由巖土體的滲流場和應力場的作用關(guān)系決定，兩場的平衡作用使得壩體處于耦合平衡狀態(tài)，滲流場下的穩(wěn)定應力場和應力場下的穩(wěn)定滲流場分析，對土石壩耦合分析的原理探索和模型研究意義非凡[1]。故在大壩設計時，需考慮大壩及壩基、壩肩巖土體的滲流與變形、應力的相互作用，文章主要通過庫水位上升對壩坡穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)孔隙水壓力的變化，計算得出大壩上游水位變化過程內(nèi)的大壩穩(wěn)定性，定量分析兩場耦合在壩體安全形態(tài)研究中的必要性。

1 有限元分析原理

飽和-非飽和滲流問題可根據(jù)Galerkin法得出詳細推導過程，其計算過程包括：

1)定義試探函數(shù)為近似解。

2)寫出加權(quán)余量方程。

3)基于格林原理對二次微分式優(yōu)化。

4)代入試探函數(shù)和邊界條件后進行滲透矩陣組合。

5)形成參數(shù)矩陣[2]。

單元形式組成的參數(shù)矩陣為：

(1)

數(shù)值積分后表達式如下：

(2)

文章通過SEEP滲流程序進行后差分法迭代計算，其方式為設置迭代次數(shù)和容許誤差來控制運算結(jié)果。設定離散的較小單元尺寸和時間步長，使得結(jié)果快速收斂，且誤差較小。通過收斂后的節(jié)點水頭值可計算孔隙水壓力、總水頭和滲流速度。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程規(guī)模為大(1)型，工程效益為供水為主，發(fā)電及灌溉為輔的不完全調(diào)節(jié)水庫。該水庫總庫容12.46億m3，電站裝機260mw，攔水壩為黏土心墻壩，正常蓄水位995.0m，設計洪水位為998m，死水位964m，最大壩高為108m，頂約長362m[3],上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為1∶1.7，大壩剖面圖如圖1所示。

圖1 某大壩典型斷面剖面圖

2.2 初始條件和邊界條件

2.2.1 初始條件

設置以上、下游水位964m、914.3m的穩(wěn)定滲流場為初始滲流場，以同水位高程的穩(wěn)定應力場為初始應力場。

2.2.2 邊界條件

1)水頭邊界：地基上、下游側(cè)面和底面為零流量邊界，壩體下游面高程914.3m設8.3m的定水頭邊界，壩體上游面設水頭函數(shù)，使庫水位分別不同速度均勻上升至正常蓄水位[4]。

2)應力邊界條件：壩基處為X、Y方向的位移約束，在壩體底部及覆蓋層的順河流方向設X方向的約束、Y方向自由。

2.3 計算結(jié)果

設定庫水位以1m/d,2 m/d,4m/d的速度從964m上升至995m，進行滲流場和應力場的耦合與否情況研究。水位上升工況見表1。

2.3.1 滲流場變化

歷時0d可得初始時刻下的滲流場，根據(jù)模擬得出庫水位上升的滲流場結(jié)果。如圖2和圖3分別為歷時7d，水位以1m/d和4m/d上升的總水頭分布結(jié)果。圖4為歷時7d時的水位以1m/d速度上升時孔隙水壓分布結(jié)果圖。由于篇幅受限，本位只取典型圖示結(jié)果進行說明。

(a)非耦合情況下歷時7d的總水頭(v=1m/d)

(b)(b)耦合情況下歷時7d的總水頭(v=1m/d)

(a)非耦合情況下歷時7d的總水頭(v=4m/d)

(b)耦合情況下歷時7d的總水頭(v=4m/d)

(a)非耦合情況下歷時7d孔隙水壓力(v=4m/d)

(b)耦合情況下歷時7d孔隙水壓力(v=4m/d)

由圖可知，因壩殼料滲透系數(shù)>心墻料，庫水位不同速率上升，壩殼料內(nèi)浸潤線和庫水位升降一致，滯后作用不突出，而黏土心墻的滲透性較低，浸潤線隨時間歷程產(chǎn)生較為顯著的滯后性。水位上升速度越大，滯后性越突出。浸潤線以下的上游壩殼及壩基，耦合時的總水頭和孔隙水壓力相比非耦合的結(jié)果偏小。

2.3.2 位移場變化

耦合與否的大壩位移變化結(jié)果如圖5-圖7所示。

圖5 耦合與否的庫水位不同速率上升大壩X向位移最小值結(jié)果

圖6 耦合與否的庫水位不同速率上升大壩X向位移最大值結(jié)果

圖7 耦合與否的庫水位不同速率上升大壩最大沉降量結(jié)果

由圖可知，大壩X向最小位移出現(xiàn)于上游堆石區(qū)。隨著水位不斷上升，水平位移變化逐漸降低，隨時間歷程至大壩變形穩(wěn)定后，位移值趨于定值；位移減小速率于庫水位上升速率呈線性關(guān)系，水位上升速度越快，變形同步趨于穩(wěn)定值。耦合工況與非耦合相比，位移值基本相同。從X向最大位移值結(jié)果中可知，庫水位下降時的壩體下游水平位移增大到定值不再變化，耦合時的水平位移>非耦合工況。

從累積沉降量結(jié)果可知，上游水位上升時，耦合工況的壩體累積沉降量逐漸降低至一定值，速率越大，沉降量越快達到最小值。非耦合工況時，沉降量先降低至定值后，出現(xiàn)一定的反彈。總體耦合的累積沉降量<非耦合，位移變化均來自水位改變后的孔隙水壓力消散作用。

2.3.3 應力場變化

耦合與非耦合情況的大、小主應力結(jié)果云圖見圖8-圖9。

(a)非耦合情況下歷時0d有效大主應力分布圖(v=4m/d)

(b)耦合情況下歷時0d有效大主應力分布圖(v=4m/d)

(a)非耦合情況下歷時0d有效小主應力分布圖(v=4m/d)

(b)耦合情況下歷時0d有效小主應力分布圖(v=4m/d)

從圖中可看出歷時0d，耦合前后的應力場基本相同，應力場分布規(guī)律大體相似。耦合后大壩心墻底部應力減小。隨上游水位上升，二者的有效應力差值變化明顯，前者較小。非耦合時的大壩有效應力值不斷增大，耦合時的大壩有效應力呈現(xiàn)先降后增的趨勢，且隨壩體深度呈線性變化關(guān)系，耦合后的滲流場因孔隙水壓力作用明顯，心墻底部的有效應力降低，易在壩內(nèi)出現(xiàn)拱效應，水位速度越快，拱效應越明顯。

3 結(jié) 論

文章基于某黏土心墻壩的地質(zhì)條件和力學參數(shù)，建立滲流場與應力場耦合的三維有限元模型，計算庫水位不同速度上升的滲流場、位移場與應力場分布結(jié)果，與非耦合時的單場結(jié)果對比分析。綜合認為，庫水位不同速度上升時，大壩安全系數(shù)降低，浸潤線變化較為明顯，且耦合作用的總水頭和孔隙水壓力相比非耦合數(shù)值偏小、位移與應力結(jié)果更貼合實際。