心墙坝不同结构特征稳定性变化分析

艾尼瓦尔·牙生

（新疆水利水电工程建设监理中心，乌鲁木齐830001）

心墙坝是一种常用坝型，研究不同结构特征心墙坝的稳定性变化特征，具有重要研究意义。卢斌等［1］使用数值模拟方法，对库水位变动工况下心墙坝渗流稳定性进行研究；郝丽娟等［2］以怀柔水库为例研究不同水位心墙坝渗流稳定性；海燕等［3］分析邓肯E-B模型参数影响心墙坝稳定性敏感性； 目前研究心墙坝稳定性的方法众多，王倩［4］通过理论分析结合室内试验的方法对心墙坝稳定性进行研究； 刘占涛［5］、张慧萍等［6］分别结合不同的工程实例使用数值模拟方法研究心墙坝稳定性情况；钟启明等［7］、吴翰麟［8］、张博等［9］使用理论计算方法对不同工程实例的心墙坝稳定性进行研究。本文结合已有研究成果，以新疆某心墙坝为例，对不同结构构造心墙坝的稳定性情况进行分析。

1 工程概况

该水库大坝位于新疆自治区内，控制流域面积0.93km2，主要承担防洪、灌溉作用，设计灌溉面积33hm2，总库容2.59×106m3，属于小（2）型水库。设计大坝坝顶宽3.5m，上游边坡系数为1∶2.5，下游边坡系数为1∶2.2，水库正常蓄水位300.2m，死水位292.1m，坝顶高程302.8m。

2 稳定性计算原理及数值模拟模型建立

2.1 渗流计算原理

本次使用geo-studio的seep/w模块计算心墙坝的渗流稳定性。采用二维渗流原理如式（1）：

式中 H为渗压水头（m）；Q为边界流量（m3/s）；kx，ky分别表示x，y方向渗透系数。

软件自带的摩根斯顿—普莱斯模型计算心墙坝稳定性，M-P模型计算原理参照文献［11］。

2.2 数值模拟模型建立

根据坝体断面，建立数值模拟模型并进行分区，数值模拟断面如图1。岩土各层物理参数如表1。

图1 坝体断面

表1 各土层物理参数

续表1

3 心墙坝结构影响坝体稳定性分析

使用控制变量法分析心墙构造对坝体整体稳定性的影响，即保持坝体形状不变，分区（1）~（10）材料参数不变，改变（11）的参数和高度，使用数值模拟方法分析心墙结构、参数特征改变对心墙坝整体稳定性的影响。

3.1 心墙渗透系数影响分析

改变分区（11）套井黏土心墙的渗透系数，研究不同渗透系数对坝体稳定性的影响情况。设计5组渗透系数分别为：1.0×10-5，0.5×10-5，5.0×10-5，3.0×10-5，10.0×10-5cm/s。

geo-studio数值模拟计算结果如表2。

表2 心墙渗透系数对坝体稳定性影响结果

从表2可知，在其他影响因素不变的情况下，心墙材料渗透系数越小，坝体安全系数越高，心墙逸出高程越低，浸润线逸出比降越大，渗流流速越小。综合分析，心墙渗透系数越小，坝体越安全。选择渗透系数为1.0×10-5cm/s较为合适，可降低工程投资，同时也可保证坝体的稳定性。

3.2 心墙高度影响分析

改变分区（11）套井黏土心墙的高度，研究不同心墙高度对坝体稳定性的影响情况。本次设计渗透系数为1.0×10-5cm/s，正常蓄水位下，5组不同的心墙高度为6，7，8，9，10m。坝体渗流稳定性计算结果如表3。

表3 心墙高度对坝体稳定性影响结果

续表3

表3可知套井心墙的高度增大，可明显提升坝体的防渗效果，当心墙高度低于库水位时，坝体稳定性情况较差。因此，在水库正常运行期间，应当避免水位长期高于心墙高度。

4 库水位变动心墙坝稳定性分析

4.1 库水位上升心墙坝稳定性

研究库水位从死水位上升至正常蓄水位时，心墙坝稳定性响应特征。

模拟工况为正常蓄水过程，库水位从死水位上升至正常蓄水位的过程，心墙坝安全系数的数值模拟动态变化结果如图2。

图2 水位上升过程心墙坝安全系数

图2可知，安全系数随着水位变化是一个动态变化的过程，心墙坝稳定性情况较好，处于较为安全的情况。安全系数呈现出先减小后增大的变化情况下，表明水对心墙坝稳定性影响是双向的，水位上涨初期，坝脚在库水影响下，强度降低，安全系数降低，库水逐渐上涨过程中，水压力又可提高坝体的稳定性，对于提高坝体安全系数又具有一定促进作用。

4.2 库水位下降过程心墙坝稳定性

研究库水位从正常蓄水位下降至死水位时，心墙坝的稳定性响应特征。

当库水位上升至正常蓄水位时，保持水位稳定7d，此时，坝体安全系数有所降低，从3.26降低至3.17，究其原因为：随着库水逐渐渗入坝体，坝体内部达到饱水状态，坝体强度降低，稳定性系数会发生相应的变化，但安全系数仍处于相对较高的水平。之后模拟正常放水过程中，坝体的安全系数变化情况，如图3。

图3 水位下降过程心墙坝安全系数

由图3可知，坝体安全系数先下降后上升，水位下降初期，坝体内部为饱水状态，外部水压力下降，坝体内部岩土体强度较低，水体向坝体外排泄，当水逐渐排出后，坝体稳定性又有所回升，恢复至正常的安全系数。

5 结语

（1）结合工程实例，通过数值模拟方法分析心墙构造对坝体安全性的影响。结果表明：心墙渗透系数越小，渗流流速越小、心墙逸出高程越低、浸润线逸出比降越大、坝体安全系数越高；心墙高度越高坝体防渗效果越好，安全系数越高。

（2）使用数值模拟方法分析库水位在上升、下降过程中，心墙坝坝体的稳定性变化情况。在水位上升、下降过程中，坝体安全系数均先下降后上升，上升初期水入渗导致坝体安全系数下降，水压力又提升了坝体安全系数； 下降初期水压力减小造成安全系数降低，坝体内部水排泄后安全系数将会提升。