基于非饱和渗流理论的水电站泄洪雾化雨渗流特征研究

赵永辉

（西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，西藏 拉萨 850000）

1 问题的提出

西藏位于我国西南部，其丰富的资源和特殊的地理优势对我国现代化建设起着举足轻重的作用。党中央国务院高度重视西藏发展，特别是西藏水电工程。实际建设过程中，一些疑难工程问题困扰和影响了建设步伐，如水电站泄洪期间工程区滑坡堆积体渗流场及稳定性分析。因此，有必要对上述问题展开针对性研究。

目前，主流的滑坡堆积体渗流分析方法存在一些不足，即视滑坡堆积体为饱和体，而实际工程中绝大多数呈非饱和状态。鉴于上述原因，众多专家学者对非饱和渗流理论做了大量试验和理论研究，提出非饱和土体渗透系数一般不为常数，其是基质吸力或体积含水率的函数[1-2]。本文基于非饱和渗流理论，采用数值模拟法，研究西藏某水电站泄洪期间，雾化降雨在下游滑坡堆积体内的渗流特征。

2 工程概况

西藏某水电站工程区为高山峡谷地貌，其下游发育巨型滑坡堆积体，纵长约1500 m，横宽约1300 m，达7.00×107m3。在雨水和山泉冲刷作用下，滑坡堆积体上发育多条冲沟，后期冲沟溯源侵蚀，将该滑坡堆积体分割为2个相对对立的堆积体，即Ⅰ区和Ⅱ区（见图1）。

图1 滑坡堆积体全貌图

据勘探资料和河流阶地揭露，该滑坡堆积体由河谷岸坡反倾层状岩体的倾倒变形演化而来，其发生过2次滑动[3-4]。第1次为较大规模的基岩滑坡，滑带土主要由紫红色、黄色黏土夹角砾构成；第2次为滑坡堆积体上发育的次级滑动，发育迹象不明显。滑坡堆积体下伏反倾层状岩体，滑带附近呈极强—强倾倒，斜坡深部主要为弱倾倒岩体（见图2）。

图2 滑坡堆积体工程地质剖面图

3 泄洪雾化区滑坡堆积体渗流场及稳定性分析

3.1 泄洪雾化降雨入渗计算模型的建立

泄洪雾化雨入渗基于非饱和渗流模型，采用GeoStudio的Seep/W进行模拟，其渗流微分方程表达式为：

式中：H为总水头（m）；mw为比水容重（kN/m3）；γw为水的重度（kN/m3）；kx、kz分别为土体水平、垂直向的渗透系数；t为时间（h）。

根据设计要求，参考现有工程后期运营泄洪雾化监测记录资料和自然降雨等级标准，分5级雾化区和5级雾化降雨强度（见表1）。计算模型表层施加雾化降雨，底面与侧面基岩按不透水边界处理，初始地下水位依据前期勘探资料确定。

表1 泄洪雾化雨强参数

根据5级雾化区，利用滑坡堆积体工程地质剖面图，在Seep/W中建立水电站泄洪雾化降雨渗流计算模型（见图3）。

图3 渗流场及稳定性计算模型图

3.2 选取计算参数

据滑坡堆积体工程地质剖面，坡内地下水位远离滑坡堆积体。同时，基于非饱和渗流理论可知，该滑坡堆积体呈非饱和状态。因此，模拟计算所需渗透系数为变量。根据饱和状态下的渗透系数和Seep/W自带估计方法，得到非饱和渗流模拟研究所需的土水特征曲线与渗透性函数[5-6]（见图4）。

图4 滑坡堆积体水土特征曲线及渗透性函数曲线图

模拟泄洪雾化渗流场后，Seep/W模块需与Slope/W模块耦合计算滑坡堆积体稳定性。该过程所需抗剪强度参数主要由实验提供，同时参照其它类似工程综合确定（见表2）。

表2 抗剪强度参数表

3.3 渗流过程模拟分析

水电站模拟泄洪雾化历时30 d，前15 d模拟泄洪，第16天开始停止泄洪至第30天。经计算模型模拟得到第1天至第30天水电站滑坡堆积体的渗流场变化。其中，选取第1天、第5天、第9天、第15天、第23天和第30天的模拟结果重点研究。分2阶段详述：

（1）泄洪阶段（第1天 ～ 第15天）。第1天至第5天，滑坡堆积体前缘地下水位迅速抬升，达到饱和状态，中部发育局部饱和区，后缘变化不明显。随着雾化雨持续影响，第6天至第15天，中部局部饱和区趋于贯通，后缘浅表层出现局部饱和区（见图5）。从坡内渗流场变化总体趋势来看，其随着水电站泄洪情况不断发生改变，细究却大相径庭。泄洪前期，滑坡堆积体为非饱和岩土体，吸水能力较强，入渗速度较快，迅速出现局部饱和状态。随着水电站持续泄洪，滑坡堆积体饱和区域面积逐渐增加，入渗速度开始下降，当饱和区趋于整体贯通时，入渗速度降至最低。之后，入渗速度基本保持最低值（即入渗速率近似于0）。整个泄洪过程，雾化雨强度不变，其入渗速度却经历了由快至慢，最后保持基本平稳的过程，雾化雨呈现出明显的非线性入渗特征。

（2）停止泄洪后的观测阶段（第16天至第30天）。水电站停止泄洪后，滑坡堆积体浅表层饱和区迅速消失，深部饱和区相对较慢，直到第30天时仍残留局部小范围饱和区（见图5）。该阶段前期主要为浅表层雨水渗流，后期为坡内深部渗流。其中，浅表层饱和区雨水通过坡表径流迅速排除，渗流速度较快；深部饱和区雨水受滑坡滑带隔水作用影响，渗流速度相对较慢。因此，停止泄洪后，坡体内的渗流经历了先快后慢的过程，同样呈现出雾化雨非线性入渗特征。

综上所述，整个模拟期间（第1天至第30天），滑坡堆积体内渗流流速变化大致分3个阶段。第一，渗流流速迅速增大阶段（第1天至第5天）；第二，渗流流速趋于稳定阶段（第6天至第15天）；第三，渗流流速平稳回降阶段（第16天至第30天）。假设渗流流速是时间的函数，时间是渗流流速的自变量，不难看出，随着泄洪与停止泄洪时间的均匀推进，渗流流速呈现出明显的非线性入渗特征。

图5 计算模型第1天至第30天孔隙水压力图

3.4 雾化雨对滑坡堆积体稳定性影响分析

经上述渗流特征研究可知，水电站泄洪雾化改变了下游滑坡堆积体坡内渗流场，其直接影响滑坡堆积体的稳定性。因此，有必要进一步研究滑坡堆积体渗流场变化对其稳定性的影响。稳定性计算主要针对潜在滑体展开（见图6）。

图6 滑坡堆积体潜在滑体图

经泄洪雾化渗流场（Seep/W模块）与滑坡堆积体模型（Slope/W模块）耦合计算，得到整个泄洪雾化过程中滑坡堆积体潜在C - E滑体（Slip Surface1）、B - E滑体（Slip Surface2）、A - D滑体（Slip Surface3）和A - E滑体（Slip Surface4）安全系数的变化情况（见图7）。据此作出水电站泄洪和停止泄洪后的观测阶段内，滑坡堆积体的稳定性评价：

（1）整体分析图7可知，C - E滑体、B - E滑体、A -D滑体和A - E滑体安全系数：FOSA-D＞FOSA-E＞FOSB-E＞FOSC-E。C - E滑体、B - E滑体、A - D滑体和A - E滑体最小安全系数分别为0.80、0.85、1.15和0.95，均出现在第5天至第15天内，说明泄洪雾化和停止泄洪雾化期间（30天内），第5天至第15天滑坡堆积体稳定性最差，特点是前缘和中前缘处，存在局部失稳的可能。

（2）模拟计算30 d内，滑坡堆积体安全系数曲线大致分3个阶段。第一，安全系数迅速减小阶段（第1天至第4天）；第二，安全系数趋于平稳阶段（第5天至第15天）；第三，安全系数平稳回升阶段（第16天至第30天）。由于地下水是影响滑坡堆积体稳定性的主要因素之一，当泄洪雾化降雨改变滑坡堆积体内部渗流场时，其稳定性也随之发生改变。因此，泄洪雾化降雨渗流的阶段性特征决定了滑坡堆积体安全系数曲线的阶段性。进一步分析渗流流速与对应阶段安全系数发现，两者近似成反比关系。

图7 滑坡堆积体安全系数时程曲线图

4 结 论

经模拟某水电站泄洪与停止泄洪过程，基于非饱和渗流理论分析和研究雾化雨对下游滑坡堆积体渗流场及稳定性影响，得出如下结论和建议：

（1）整个计算模拟期间（30 d内），雾化雨在滑坡堆积体内的渗流大致分3个阶段，即渗流流速迅速增大阶段（第1天至第5天），渗流流速趋于稳定阶段（第6天至第15）和渗流流速平稳回降阶段（第16天至第30天）。泄洪雾化雨在滑坡堆积体的渗流表现出明显的阶段性特征。

（2）随着泄洪模拟时间匀速推进，雾化雨渗流速度非匀速变化（先迅速增大，接着趋于稳定，后平稳回降），说明雾化雨的非线性渗流特征。

（3）滑坡堆积体内渗流场受泄洪雾化雨影响而发生变化，导致滑坡堆积体稳定性也随之改变。整个模拟期内（30 d），安全系数曲线大致分为迅速减小（第1天至第4天），趋于平稳（第5天至第15）和平稳回升（第16天至第30天）3个阶段，其与渗流流速3个阶段大致对应，但是两者近似成反比关系。安全系数曲线的阶段性主要归因于泄洪雾化降雨渗流的阶段性特征。

（4）本文研究得出了某水电站泄洪雾化降雨在滑坡堆积体内渗流的2大特征，即渗流的阶段性和非线性渗流。其均反映了渗流场变化规律，在此基础上，结合渗流流速与安全系数成反比的关系特征，可以有效把握泄洪期间每个时段滑坡堆积体的稳定性。因此，该项研究成果对水电站实际泄洪过程把控和泄洪雾化降雨渗流研究具有一定的指导意义和参考价值。