基于Geo-studio的水位骤降对土质心墙坝坡稳定分析

张利平，朱颖儒

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

当水库正常运行时，由于水库蓄水、放空等影响，库水位会经常发生变化，尤其是汛期以后或者需要放空水库检修大坝时，往往会出现水库水位骤降的情况。而渗流与稳定是影响土石坝稳定安全的两个最重要因素[1]。库水位的变化会引起土体中孔隙水压力的瞬态变化，同时库水压力的变化也会产生坝坡内部超孔隙水压力的发展。库水位下降速率较大时，没有给排水提供足够的时间，对于渗透系数较小的土体，其孔隙水压力不会在水位骤降期以同样的速率伴随着水位的下降而消散[7-8][13]。本文结合某水电站副坝，研究库水位骤降速率不同时，坝坡渗流场及稳定性的变化情况，将计算得出的渗流场结果应用于边坡稳定分析。

1 工程概况

某水电站副坝为土质心墙堆石坝（rockfill dam with central clay core），坝顶高程EL.187.00 m，坝基最低点高程EL.134.50 m。最大坝高52.50 m，坝顶长331.9 m。考虑施工、运行等因素，坝顶宽度确定为8 m；大坝上游坝坡为1V:2.0 H，下坝坝坡为1V:1.90 H。

心墙与设在其下的灌浆帷幕一起构成了大坝的防渗系统。副坝心墙上游依次为反滤料区、堆石区和上游抛石护坡区，心墙下游依次为反滤料区（2层）和堆石区。大坝标准剖面图见图1。坝体及坝基材料物理力学参数见表1。

表1 坝体材料物理力学指标

图1 大坝标准剖面图

2 计算模型及边界条件

将坝体最大横断面模型在GEO-STUDIO中建立，采用三角形及四边形网格单元。地基延伸范围为：上、下游各延伸一倍坝高，地基深度为一倍坝高。计算分析时模型边界条件设定为：上游水位以下设为定水头边界，以上为不透水边界（零流量），下游坝坡为不透水边界，坡脚及地基表面为定水头边界。有限单元网格剖分及边界条件如图2所示。

图2 有限元计算模型

3 有限元计算结果及分析

3.1 计算工况

本文对某水电站心墙堆石副坝计算了三种水位下降速率下的非稳定渗流场及上游坝坡稳定，三种工况水位均从正常蓄水位187.00 m下降至163.00 m，下降速率分别为0.1 m/h、0.2 m/h和0.3 m/h，按照线性变化下降。同时对应于不同水位下降速率分析了防渗料渗透系数不同时坝体的渗流及上游坝坡稳定性。计算工况见表2。

表2 计算工况

3.2 水位骤降速率对非稳定渗流场的影响

对于稳定及非稳定渗流计算的理论，已有很多文章[1-5][9-10]作了介绍，在此不再赘述。通过在Seep/w里进行计算分析，三种工况下浸润线及坝体渗流量如图3～图5所示。

图3 工况1非稳定渗流场分布

图4 工况2非稳定渗流场分布

图5 工况3非稳定渗流场分布

图6 各工况坝体单宽渗流量（m3/s）

通过图3～图6结果可以看出，随着水库水位的下降，坝体内的浸润线也随之下降，但是由于土壤的持水性，导致浸润线与库水位下降速度不同步，坝体内浸润线的下降有明显的滞后现象，部分水由于孔隙水压力来不及消散而滞留在坝体内，使浸润线呈现“上凸”的曲线形状[6][11]。坝体内自由水面高于上游库水位，形成“逆流”现象。防渗体渗透系数越小，对流体流动的阻碍越强烈，“逆流”现象越明显。坝体渗透系数一定时，水位下降速率越快，坝体自由水面线曲率越大，此效应也越明显，坝体渗透量随之增加[1][8]；防渗体渗透系数越大，坝体渗流量越大。

3.3 水位骤降速率对上游坝坡稳定的影响

基于上述所计算的非稳定渗流场计算结果，在slope/w模块计算对应工况下的上游坝坡稳定性，安全系数的计算采用Morgenstern-Price法，结果如图7～图9所示；给出了上游坝坡安全系数随着不同水位骤降速率的变化过程曲线，结果如图10所示。

图7 工况1上游坝坡稳定最小安全系数

图8 工况2上游坝坡稳定最小安全系数

图9 工况3上游坝坡稳定最小安全系数

图10 不同水位降落速率时上游坝坡稳定安全系数变化

通过坝坡稳定计算结果可知，上游坝坡满足规范规定要求；水位骤降时，上游坝坡稳定系数降低，随着水位骤降过程的推移，坝坡安全系数呈现较大的下降趋势，水位骤降速率越大，安全系数下降越快。这主要由于库水位骤降以后，坝体特别是心墙内的浸润线的降落过程并不与坡外水库内水位同时降落，坝体内孔隙水压力来不及消散，由水库内水位提供的静水压力在水位骤降时迅速消失，上游坝坡形成反向渗流，导致其稳定性降低。防渗体渗透系数相同时，水位下降速率越快，坝坡稳定安全系数下降越快，数值越小[7][12]；相同水位骤降速率下，防渗体渗透系数对坝体稳定性影响不大。

3 结语

本文通过对某水库心墙坝某最大横断面在库水位骤降时的非稳定渗流场的变化进行分析，得出其渗流场的变化规律。根据坝体渗流场计算结果，采用Morgenstern-Price法对大坝上游坝坡进行了不同水位骤降速率下的稳定性分析，得出以下结论：

（1）库水位骤降时，坝体浸润线随之下降，但有明显的滞后现象。骤降速率越大，上游坝坡反向渗流越显著，大坝上游坝坡稳定安全系数降低越快，安全系数越低；

（2）水位骤降速率相同时，防渗体渗透系数的大小主要影响坝体单宽渗流量，对于心墙堆石坝，水位骤降期，上游坝坡稳定安全系数受骤降速率影响较大，对防渗体渗透系数的大小响应不敏感。

（3）水位骤降完成后，坝体内浸润面逐渐降低，最终趋于稳定，反向渗透压力逐渐降低，大坝的安全系数有增大趋势。