新疆战备沟水库库坝渗流及稳定性分析

张红良

(和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆维吾尔自治区 和田市 848000)

1 工程概况

萨尔布拉克河位于霍城县东部，是霍城北山沟水系中靠东部的一条较大河流，上游山区降水充沛，多年平均径流量2.053亿m3，具有水利开发的有利自然资源条件。

图1 研究区位置概况图

坝址位于萨尔布拉克河中游段黄土丘陵区，两岸山体拔河高度>100m，河道较为顺直，河谷宽阔，呈“U”型，一般宽150-300m，漫滩及河心滩发育，河水面宽20-60m，水深0.5-1.2m，河流纵坡降10-15‰，河水位高程967-980m。左岸岸坡大部为坡积粉质壤土覆盖，自然坡度约35-45°，局部在坡脚有高约10-15m的近直立陡坎，左岸主要发育有两条冲沟，间距600m，一般沟底宽5-8m，切割深度20-50m，延伸长度0.5-1.5km；右岸岸坡主要为风积黄土层，仅在坡脚处见有上更新统冰水沉积(Q2)砂卵砾石出露，自然坡度较缓，约30°左右，岸坡顺坡向发育四条冲沟，间距100-270m，一般沟底宽5-15m，切割深度20-30m，延伸长度0.5-1.0不等，沟与梁相间，梁顶坡度平缓，冲沟两侧及临河岸坡相对较陡。

2 研究方法

2.1 模拟软件

Geo-Studio系统软件是针对不同区域模型的分布情况而做出一个整体全面的分析软件。其中该系统一共有八种不同的模块，以应对不同的工程状况。具体分别为：Slope/w模块为边坡稳定性分析软件；Sigma/w模块为岩土应变分析软件；Quake/w模块为地震模拟分析软件；Temp/w模块为地热分析软件；Seep/w模块为地下水渗流模拟分析软件；Air/w模块为空气流动模拟分析软件。战备沟坝体渗流与稳定性分析主要是通过Geo-Studio软件中的seep/w模块和slope/w模块进行有限元模拟计算得出的。根据模拟的计算结果球的出坝体渗流的运动规律，利用这个结果叠加求解出左右坝坡的最小安全系数以及可能出现滑动面的位置，最终给予合理的建议[1]。

2.2 渗流模型的建立

大坝位置拟定在撒尔布拉克河中游段的位置，由于该项目处于初步设计阶段，因此目前暂定为沥青混凝土心墙砂砾石坝。本次模型的建立以及参数的选取也仅仅根据初步设计勘察阶段所提供的数据资料。图2为坝址区工程地质图。

图2 坝址区工程地质图

首先打开Geo-Studio 软件，选择 seep/w模块，建立工作平面选择合适的比例，绘制坐标轴以及一些小的参数设定[2]。接着将AutoCAD中的大坝横剖面图导入到软件中，设置好分区，图 3 是已经完成的大坝模型。

图3 大坝模型

根据现有资料，将坝体分为八个区块，分别为导流围堰填筑区，砂砾石填筑区，堆石填筑区，砂卵砾石层(Q4al+pl)，砾岩(Q1fgl)，泥岩(Q1al+pl)，沥青混凝土心墙以及防渗帷幕。具体的物理力学性质参数是根据勘察报告的实验结果参考得来，见表1。

表1 体分区物理力学性质参数表

完成网格划分工作之后开始设置边界条件，具体操作如下：

根据《碾压式土石坝设计规范》上的要求，在对于大坝进行计算的时候应考虑各种不利因素，分不同的工况进行分别讨论求解[3]。但结合实际情况，加上手里的资料有限，并没有实际监测的水文数据，因此决定只选择两种稳态情况作渗流分析，分别为工况(1)左岸坝坡正常蓄水位1024.7m与右岸坝坡最低水位即地下水水位977.5m，工况(2)左岸坝坡校核洪水位1026.54m与右岸坝坡最低水位即地下水水位977.5m。

整个模型绝对高程，其中边界按照第一类边界条件考虑，也就是按水头边界条件。左岸坝坡正常蓄水位高程 1024.7m，右岸坝坡最低水位为地下水水位977.5m，由于底侧为弱风化不透水岩层，不影响计算，所以本次未赋予边界条件。接着将边界条件赋值到模型的边界处，至此大坝建模以及参数的设置全部完成，图 4 为设置好的大坝渗流模型分析，左岸蓝色和右岸红色为水头边界线。

图4 大坝渗流模型

2.3 坝体稳定模型建立

坝体稳定模型的建立是基于Geo-Studio中的slope/w模块，由于文章篇幅的限制，详细的步骤和渗流模型建立相类似，这里只是简单的介绍，具体步骤如下[4]：

首先打开之前 seep/w 的计算结果，该软件可以根据渗流及计算结果应用到坝坡稳定分心中，大大减少了工作量。分析选项选择 slope/w 中的极限平衡，将不同区域物理力学性质参数赋值到各个区域内。接着修改滑动面选项信息，用户可以根据自己的要求，定义滑动面滑动方向，还可以利用系统自带的算法自动搜素可能滑动面。在这里需要强调 slope/w 模块中可以根据不同情况选择不同的滑移面定义方法，其次对于不同的边坡软件可以自动分析搜索可能的滑移面以及最小安全系数的查找。文章所用的是利用系统自带的算法自动搜寻滑动面区域。通过穷举法思想，模拟出所有可能出现滑动面的情况，并根据这些情况自动求接触安全系数。最后一步检查模型设置参数，至此坝体稳定模型建立完成[5]。

3 坝体渗流模型计算与结果分析

根据 Geo-Studio 软件 seep/w 模块模拟的结果见图5-图8。

图5 工况1正常蓄水位渗流图

图6 工况1正常蓄水位孔隙水压力图

图7 工况2校核洪水位渗流图

图8 工况2校核洪水位孔隙水压力图

通过软件模拟计算得出，在正常蓄水位工况下，大坝主坝轴线位置处的单宽渗流量为3.765×102m3·d，出逸比降为0.319%；在校核洪水位工况下，大坝主坝轴线位置处的单宽渗流量为3.22×102m3·d，出逸比降为0.291%。

结合各个工况的渗流看出，在工况1正常蓄水位的条件下，单宽渗流流量和出逸比降相对较高，说明处于不同水位对坝体的渗流影响较大；其次从图中浸润线可以看出，正常蓄水条件下的浸润线要高于校核洪水位的，且下游浸润线与坝脚线相交。由此可以看出渗流的路径位于坡脚附近，且坝身并不需要加强防渗措施，大坝的设计相对科学可靠，但需要注意的是在坡脚处需设置合理的排水沟，以便水库在正常工作下可以将渗流及时排除，减小工程隐患。另外根据相关规范出逸比降并未超过临界破坏值的范围，因此可以判定不会发生类似的渗透变形破坏。

4 坝体稳定性分析

根据Geo-Studio软件slope/w模块模拟的结果如图9-图12所示。

图9 工况1左岸坝坡模拟结果图

图10 工况1右岸坝坡模拟结果图

图11 工况2左岸坝坡模拟结果图

图12 工况2右岸坝坡模拟结果图

由模拟计算结果可以看出，在工况1的情况下上游坝坡和下游坝坡的最小安全系数分别为2.772和2.282，在工况2的条件下上游坝坡和下游坝坡的最小安全系数分别为2.893和2.352。根据《碾压式土石坝设计规范》中所规定的安全数值进行对比分析，可以看出坝坡抗滑稳定安全系数均在规范规定允许范围内，坝坡安全稳定，坝型设计方案较为合理。

其次在对比上下游安全系数可以看出上游安全系数要略大于下游的安全系数。因为上游在蓄水或者水位变化过程中水流，浪击不断作用坝坡，所有适当提高左岸的安全系数也比较符合实际情况。从上述图中看出，可能出现的滑移面一般出现在坝体的中上部位置，所以对于该位置可以做适当的加固处理。

5 结 论

介绍了新疆战备沟水库大坝在两种不同工况下(正常蓄水工况和校核洪水位工况)坝体的渗流规律以及稳定性分析。首先分别介绍坝坡基本理论以及坝坡稳定性分析方法。使用GeoStudio 系统软件中Seep/w模块和Slope/w 模块。根据现场实验数据对大坝建模分析求解。最终求出坝体渗流场的分布情况，浸润线以及孔隙水压力分布特征以及最小安全系数。对比得出大坝安全系数远高于设计时的要求，说明该方案科学可行。