基于Geostudio土石坝渗流稳定分析

邹 韬，张本权，左恒奕

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002; 2.福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000; 3.贵州省水投水务集团有限公司，贵阳 550002)

1 概 述

土石坝工程有施工简便、料源丰富、地质条件要求低、造价便宜等诸多优势，因此成建数量极多，约占建坝总数的95%以上，是水利水电工程中极为重要的一种坝型。由于土石坝施工工艺特点，其渗流问题和坝坡稳定问题是影响大坝安全的关键所在[1]。当渗流流速或渗透比降高于某固定限值时，可能发生坝体或坝基岩土体变形。目前，土坝渗流分析及坝坡稳定分析大多采用有限元方法[2]。本文以我国西南某水库为例，用 Geostudio 对大坝进行有限元渗流稳定分析，以期为同类型工程的渗流稳定计算提供参考。

2 工程概况

该水库位于澜沧江中下游河段，属于大型水库，大坝为心墙堆石坝，正常蓄水位812.00 m，设计洪水位(P=0.1%)810.90 m，校核洪水位(P=0.02%)817.99 m。大坝最大坝高261.5 m，坝顶高程821.50 m，坝顶宽18 m，上游坝坡坡度1∶1.9，下游坝坡坡度1∶1.8。

3 计算原理

3.1 SEEP/W 模块

SEEP/W模块是GeoStudio软件的模块之一，SEEP/W 软件适用于分析岩土体地下水渗流和超孔隙水压力消散问题。它可以便捷分析各种工况的饱和渗流、非饱和渗流、稳态渗流、瞬态渗流等，可以定义渗流的各项异性，通过瞬态分析，可以得出不同时刻不同点的孔隙水压力分布状况，其结果可以被用于SLOPE/W研究边坡、路堤稳定性随时间变化关系。本文针对水库实际情况，以达西定律为理论基础，采用SEEP/W 软件对大坝各工况(校核水位工况、设计洪水位工况、正常水位工况)进行渗流分析，求得各工况下的单宽渗流量和浸润线,根据渗流分析结果并应用于坝坡稳定分析计算中。

3.2 SLOPE/W 模块

GeoStudio分析软件中的SLOPE/W模块适用于分析岩土体稳定性问题，通过运用有限元法进行应力分析，克服了极限平衡法的局限性。本文在SEEP/W模块已完成渗流计算的基础上，运用刚体极限平衡原理，通过 SLOPE/W 软件对大坝的各工况进行抗滑稳定分析，求得各工况下大坝上下游坝坡的最小安全系数，分析大坝的稳定性。

4 计算分析

4.1 计算模型建立及参数选取

在Geostudio软件中，首先对模型的长度、高度、比例尺、计算单位和坐标轴等基础参数设置，随后可通过CAD绘制大坝构造及坝基土层分层情况并保存为DXF文件。将绘制好的模型导入Geostudio软件中，根据坝体和地基的轮廓线进行面域划分和材料属性定义。

模型计算时，有限元网格的划分一般推荐使用非结构化四边形和三角形网格，单元的长宽比大致应控制在1∶1.0～1∶1.2，计算模型见图1。

在KeyIn Matetials中定义坝体材料和地基材料特征参数，大坝坝土及坝基分区的岩土物理参数指标见表1。

图1 模型简图

表1 岩土体渗流分析物理参数

模型心墙区域的材料属性设置为饱和-不饱和[3-4]，在浸润线以下部分是饱和土体，浸润线以上部分是非饱和土体。采用饱和-不饱和计算时[5]，渗流主要存在于浸润线以下，贴合实际情况，同时坝基按饱和情况计算。

边界条件的设置关系到渗流计算结果，边界条件设置可以选择边界水头或边界渗流量。本次计算工况需要设置不同的边界水头，以求解渗流量。

4.2 渗流计算

本文由GEO-SEEP软件进行计算分析，确定各工况下坝体浸润线、等势线、溢出点高程、渗流单宽流量、渗透比降、坝底扬压力等，并进行坝身及地基各部分结构周边渗透破坏可能性的判断，对比分析各工况及不同防渗材料的坝体流网图。具体渗流计算内容可列为以下几点：①用软件计算确定坝体下游心墙和坝壳出逸点的位置以及算出相应水位下稳定渗流的浸润线；②确定坝体及基础的渗流量；③确定坝体出逸段及其水力坡降；④分析渗透压力分布和变化，预测渗透破坏发生的可能。

用SEEP/W模块对大坝进行渗流分析，考虑正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、水位下降工况，前3种工况为稳态渗流分析，水位下降工况采用瞬态分析。

各工况的渗流计算结果见图2-图5。

图2 正常蓄水位渗流比降云图及浸润线

图3 设计洪水位渗流比降云图及浸润线

图4 校核洪水位渗流比降云图及浸润线

图5 校核洪水位(1天放空)渗流比降云图及浸润线

由计算结果的云图中，可以了解大坝内部的浸润线、渗流矢量、单宽渗流量和渗流比降。渗流分析的主要任务是计算渗透比降并判断大坝是否会发生渗透破坏。在水位下降过程中，从云图可以看出，部分孔隙水并未及时消散。坝体中一部分水向下游坝坡渗去，部分坝内水向上游坝坡反渗[6]。由于会产生渗透压力的作用，上游坝坡也易出现滑移的危险。

水力坡降取值根据水工设计手册(第二版)，土的临界水力坡降除以一定的安全系数可以得到允许水力坡降，设计时安全系数取2.5，黏土取值为1.5。渗流计算结果见表2。

表2 土石坝渗流分析计算结果

4.3 稳定计算

坝坡稳定分析方法有极限平衡法和有限元法。极限平衡法又分为瑞典圆弧法、毕肖普法、简布普遍条分法；有限元法又分为滑面应力分析法和强度折减条分法。用SLOPE/W软件对坝体各个工况进行稳定分析，采用毕肖普法计算坝体的抗滑稳定系数[7]。

在Geostudio软件SEEP模块下新建SLOPE分析，SEEP中的孔隙水压力可以直接叠加到SLOPE分析中，无需重新输入相关参数即可进行稳定分析。坝坡稳定计算过程中，各岩土层采用Mohr-coulomb强度，滑动面采用自动搜索的方式确定最危险的滑弧。各岩土层的计算参数见表3。

各工况下上下游坝坡稳定安全系数计算值及规范值见表4，部分工况最危险滑移面见图6-图9。

表3 岩土体坝坡稳定分析物理参数

表4 坝坡稳定分析计算结果

图6 正常蓄水位3天放空最危险滑移面

图7 设计洪水位3天放空最危险滑移面

图8 校核洪水位3天放空最危险滑移面

图9 正常蓄水位+地震荷载条件最危险滑移面

计算结果表明，大坝在拟定的各工况条件下，坝坡稳定安全系数满足规范值要求。从稳定计算结果中发现，大坝在水库水位下降过程中由于水压力的改变坝坡稳定系数也随之减小。因此，在水库泄水过程中，应加强对大坝滑移的监测。

5 结 语

本文通过Geostudio软件对大坝渗流稳定进行计算分析，考虑岩土体非稳定渗流，可以快速、准确进行土石坝渗流稳定分析，能够为土石坝工程进行安全分析服务，其基于达西定律和极限平衡理论的方法已在国内外工程中广为应用，可在土石坝渗流稳定计算中，为大坝安全评价提供依据。