某均质土坝加固后沉降变形及渗流稳定分析

程华进，王亚妮，李磊，樊鑫

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005；2.水发规划设计有限公司，山东 济南 250014）

1 引言

某水库总库容802.6万m3，经多年运行，淤积严重，实测已淤积库容573.0万m3。水库防洪能力低于规范要求，如遭遇较大降雨，威胁下游村镇安全。水库的坝体在前期施工过程中，施工质量不满足规范要求，坝顶有明显的不均匀沉降；坝体有裂缝发展，坝后有明显的渗漏情况；另外水库的管理运行能力较差，不能正常运行和管理；水库主坝缺少位移、渗流等监测措施，实时监测数据缺失，整体安全存在一定隐患。

为解决水库存在的上述问题，对土石坝进行了加高加固。以加高后的土坝为研究对象，对大坝运行期渗流场、位移场、坝坡稳定系数进行仿真计算，对坝体运行期的整体稳定性进行计算和分析。结合试验及仿真计算成果，对大坝蓄水及运行管理方式提出合理建议。

2 变形、渗流稳定基本理论

2.1 邓肯-张E-B模型

邓肯-张模型中，切线弹性模量表达式为[1，2]：

式中：c为土体黏聚力（kPa）；φ为土体内摩擦角（°）；pa为大气压力（kPa）；Rf为破坏比；σ1、σ3分别为最大、最小主应力（kPa）；K、n为试验参数。

由体变模量B表示的泊松比为：

式中：Kb、m为模型拟合参数；其余变量含义同上。

对卸荷采用下述方法判别：当σ1-σ3<（σ1-σ3）0且S

对卸荷情况，弹性模量用下式计算[5]：

式中：Kur为模型拟合参数；其余变量含义同上。

计算中，土石料的内摩擦角均假定满足非线性的强度公式[6，7]：

在土石坝静力计算中，使用了上述经典的邓肯-张E-B模型。

2.2 渗流微分方程

二维渗流的一般控制微分方程可以表达为[8，9]：

式中：H为总水头（m）；kx为x方向的渗透系数（cm/s）；ky为y方向的渗透系数（cm/s）；Q为施加的边界渗流（m3/s）；θ为单位体积含水量（m3）。

2.3 Morgenstern-Price法

Morgenstern-Price方法从力和力矩的平衡出发，推导出了平衡微分方程式[10-12]。该方法同时满足力和力矩的平衡，在滑坡稳定分析领域得到了工程师和学者们的大量使用。

3 计算模型与基本参数

原坝体建基面高程1587.5 m，坝顶高程1630.6 m，坝体高43.1 m。坝前坡比为1∶2.5，坝后坡比为1∶2.0。淤积土高程1625 m，上游填土为土石坝坝前基于淤积面高程1625 m加高至新坝顶1638.1 m高程，加高13.1 m；下游坝坡面从建基面1587.5 m加高至老坝体坝顶1630.6 m高程，加高43.1 m。新坝体坝前坡比为1∶3.0，坝后坡比为1∶2.5。坐标系Y轴原点位于老坝体建基面上，X轴原点位于坝顶上游面顶点上游172 m处。坝顶Y坐标为50.6 m。

坝体加高方案为：坝前土石坝基于淤积面高程1625 m加高至新坝顶1638.1 m高程，加高13.1 m，分15层加高，前14层每层高度是0.9 m，第15层高度是0.7 m；下游坝坡面从建基面1587.5 m加高至老坝体坝顶1630.6 m高程，加高43.1 m，分14层加高，每层高度约为3.08 m。先进行坝后加固然后再进行坝前加固。坝体整体模型，如图1所示。地基底部竖直向约束，地基两侧法向约束。坐标系Y轴原点位于老坝体建基面上，X轴原点位于坝顶上游面顶点向上游172 m处。坝顶Y坐标为50.6 m。

图1 大坝整体有限元模型

计算时采用的E-B模型参数，详见表1—3。原坝体分为2个区域，分别采用试件20-1和30-1的参数；新坝体坝后填土为一个区域采用试件4-1参数；坝后填土采用试件8-1的参数；坝前淤积土采用试件2-2的参数；坝基部分的E-B模型参数参考大坝参数。

表1 大坝土样试验结果

表2 坝体各部分渗流分析相关参数

表3 坝体各部分稳定分析相关参数

采用E-B模型对大坝进行施工过程模拟：先加固坝后，然后加固坝前。坝前分15层，每层0.9 m；坝后分14层，每层3 m。老坝体采取一次加荷，后面的计算中清除掉老坝的位移。采用E-B模型进行施工期沉降分析，其中x向正向为顺流向，y向正向为竖直向上，总位移表示各节点的位移矢量，应力以压应力为正。

在施工期，假设水库无水并且在施工完工之后才开始蓄水。采用总应力法，首先进行原坝体的初始应力计算。在初始应力计算结果的基础上进行大坝加固施工期固结及沉降变形的有限元分析，但扣除初始坝体引起的变形量。

4 研究成果

4.1 施工期沉降变形分析

坝前加固到第15层即坝体加固完成时，土石坝坝体各向位移结果如图2和图3所示。

图2 x向位移

图3 y向位移

对于竖向位移，原始坝体位移很小，可忽略不计。而坝体的上游侧竖向位移较大，坝体最大沉降为1.51 m，分布在高程1625.88 m处，距离坝顶中部下游0.46 m；竣工期加固完成后，坝顶沉降量为3.9 cm，与填筑坝高比值0.3%，小于1%，坝料填筑标准合理；坝体X向位移中向下游变形最大为0.88 m，位于高程1621.9 m处，距坝顶中部下游16.5 m；向上游变形最大为0.2 m，位于高程1612.85 m处，距坝顶中部上游28 m。

4.2 正常蓄水位渗流及稳定分析

正常蓄水位工况下，坝体坝基流网、孔隙水压力等值线和浸润线如图4—6所示。

图4 正常蓄水位坝体坝基流网

图5 孔隙水压力等值线云图

图6 坝体浸润线

在渗流分析的结果上，进行坝体稳定分析，正常蓄水位坝体稳定分析结果详见表4。

表4 正常蓄水位坝体稳定分析结果

正常蓄水位上游稳定安全系数及滑动面，如图7所示。对于上游侧坝坡，最小稳定安全系数为1.677，滑裂面从坝顶下游侧顶点起，经过上游新坝体区，最终从淤泥区滑出。滑出点距新坝体上游坡脚处8 m左右。

图7 正常蓄水位上游稳定安全系数及滑动面

正常蓄水位下游稳定安全系数及滑动面，如图8所示。对于下游侧坝坡，最小稳定安全系数为0.790，滑裂面从新坝体上游侧靠近坝顶处起裂，沿准直线经过新老坝体，并最终以弧形从坝基滑出。滑出点在下游坡脚附近，滑裂面最低点距建基面5～6 m左右。在正常蓄水位运行条件下，坝体的下游侧安全系数小于规范规定值，因为坝体加固工程已经结束，建议水库在蓄水位以下运行，并加强坝体渗流情况的实时监测。

图8 正常蓄水位下游稳定安全系数及滑动面

5 结论

为解决水库存在的淤积、渗流等问题，对土石坝进行了加高加固。以加高后的土坝为研究对象，对大坝运行期渗流场、位移场、坝坡稳定系数进行仿真计算，对坝体运行期稳定性进行分析及预测。结合试验及仿真计算成果，对大坝蓄水及运行管理方式提出合理建议。主要结论如下。

（1）通过对大坝加固施工过程的仿真模拟，得到了大坝各状态下的位移变形结果。竣工期加固完成后，坝体最大沉降为1.51 m，位于高程1625.88 m处，距坝顶中部下游0.46 m；坝顶沉降量为3.9 cm，与填筑坝高比值0.3%，小于1%，坝料填筑标准合理。

（2）在正常蓄水位运行条件下，坝体上游侧的极限稳定安全系数为1.677，滑裂面从坝顶下游侧顶点起，经过上游新坝体区，最终从淤泥区滑出；坝体下游侧的坝坡极限安全系数为0.790，滑裂面从新坝体上游侧靠近坝顶处起裂，沿准直线经过新老坝体，并最终以弧形从坝基滑出。

（3）在正常蓄水位运行条件下，坝体的下游侧安全系数小于规范规定值，因为坝体加固工程已经结束，建议水库在蓄水位以下运行，并加强坝体渗流情况的实时监测。