考虑渗流影响的水库大坝边坡稳定性研究

陆庆芳 陆华坤

摘要：水利大壩在防洪、发电、航运、灌溉、水产养殖、旅游、城市供水等方面发挥着重要作用。大坝的稳定性在工程设计和研究过程中至关重要。基于有限差分法和强度折减法的基本原理，采用FLAC3D软件，考虑渗流状态、水库水位高度和坝体渗透系数，对大坝的稳定性进行分析。结果表明，随着库水位的升高，坝体的渗流特性更加明显，坝体的水平位移增大，坝体的滑动安全系数减小。随着坝体渗透系数的增大，坝脚渗流流量呈线性增大，坝体稳定性明显降低。该研究对坝基渗流和坝坡稳定性进行了评价。研究发现，水库水位和坝体渗透性是影响坝坡稳定的重要因素，因此在大坝设计和施工过程中有必要加强防渗措施。

关键词：水库 大坝 边坡稳定性 渗透性

中图分类号：TV223.4   文献标识码：A

Research on the Slope Stability of Reservoir Dams in Consideration of the Effect of Seepage

LU Qingfang  LU Huakun

（Honghu Irrigation Area Workstation， Jingzhou， Hubei Province， 433200 China）

Abstract：The water conservancy dam plays a significant role in flood control， power generation， shipping， irrigation， aquaculture， tourism， urban water supply and other aspects. The stability of the dam is extremely important in the process of engineering design and research. Based on the basic principles of the finite difference method and strength reduction method， FLAC3D software is used to analyze the stability of the dam in consideration of the seepage state， the height of the reservoir water level and the permeability coefficient of the dam body. Results show that with the increase of the reservoir water level， the seepage characteristics of the dam body is more obvious， the horizontal displacement of the dam body increases， and the slip safety factor of the dam body decreases， and that with the increase of the permeability coefficient of the dam body， the seepage discharge at the foot of the dam increases linearly， and the stability of the dam body decreases obviously. It is found that the reservoir water level and the permeability of the dam body are the important factors affecting the stability of the dam slope， so it is necessary to enhance anti-seepage measures during the design and construction of the dam.

Key Words： Reservoir; Dam; Slope stability; Permeability

土石坝是一种由当地土石材料填筑而成的挡水结构，在世界范围内得到了广泛的建设和应用。土石坝的优点是造价低、施工方便、抗震性能好，但也存在渗漏、滑坡、震害等问题[1]。通过总结全世界的溃坝事故可以发现，其中土石坝约占溃坝总数的70%。据统计，洪水漫顶、渗流破坏、管道渗漏和边坡失稳是土石坝事故的主要原因。

针对土石坝的特点，大坝变形评价是非常重要的。土石坝的计算应关注三个问题：应力路径的影响、加湿变形和非线性本构模型。最常用的非线性弹性本构模型是Duncan-Zhang E-B模型和E-v模型。如有研究使用邓肯-张E-B非线性弹性模型分析了土石坝防渗墙的应力和变形特征。研究发现，坝体横截面和横隔板刚度对坝体变形有明显影响。

在大坝的稳定性分析中，坝坡滑动稳定性是非常重要和必要的。边坡滑动稳定性分析的常用方法，包括极限平衡法、应力分析法和赤平投影法[2]。这些传统方法不能考虑边坡内部水的影响，因此提出并研究了许多修正公式。土石坝和地基蓄水将形成稳定渗流。此外，水库水位的快速波动将对大坝造成严重影响。

稳定性水库蓄水将降低坝址的抗滑阻力，快速下降将产生进入水库的动态水压。除坝体本身的滑动稳定性外，滑坡对库区岸坡的冲击力对坝体的影响也较大。渗流对土石坝边坡稳定性的影响是关系到土石坝安全的重要研究课题[3]。然而，目前的边坡稳定性分析很少考虑地下水渗流的影响。因此，该研究基于一个实际的水库大坝工程，研究了水库水位高度和坝体渗透性对大坝边坡稳定性的影响[4]。

1 分析方法和计算模型

1.1分析方法

通过大型商用软件FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua），采用有限差分法研究水库大坝边坡稳定性。考虑大坝渗流对边坡稳定性的影响，采用强度折减法计算大坝边坡滑动安全系数[5]。

强度折减法的基本原理是降低土壤的抗剪强度，直到判断边坡达到临界破坏状态。安全系数定义为土壤实际抗剪强度与土壤降低强度之间的比率[6]。

1.2.数值模型

以实际水库大坝为例，建立了如图1所示的数值模型。水库水位h分别设置为5 m、12 m、14 m、15 m、16 m和17 m。坝基的粉质粘土层被认为是渗透层。该模型共有2 602个单元和3 327个节点。边界条件在底部节点中设置为固定，而左侧和右侧节点在水平方向上固定，在垂直方向上自由。水库底部、坝体两侧边坡和坝址表面设置为排水边界。水库大坝和地基材料参数如表1所示。

2 结果分析

2.1水库大坝的渗流特性

模拟了水库水位分别为5 m、10 m、12 m、14 m、15 m、16 m和17 m时水库大坝的渗流行为。土石坝内部孔隙水压力分布如图2所示。结果表明，水位越高，饱和线越高，地下水的渗流效应越明显。

图3显示了土石坝坝脚处的渗流。随着蓄水位的增加，渗流近似线性增加。随着大坝渗透系数的增大，渗流量增大。可以观察到，水庫水位和坝体渗透性对坝脚渗流的影响较大。

2.2 水库大坝的变形特性

图4显示了不同蓄水位下坝体中心轴上监测点的水平位移曲线。可以发现，土石坝的位移自上而下先增大后减小。随着蓄水位的增加，水平位移不断增加。当水库水位为17 m时，大坝最大位移值为0.010 64 m。当蓄水位h=17 m时，整个土石坝的水平变形等值线如图5所示。

随着蓄水位高度的不断增加，土石坝上游面上的水压增加，导致土石坝向水库外部水平位移，最大位移位于上游面的位置。

2.3 水库大坝的滑动稳定性

采用强度折减法研究土石坝边坡稳定性，综合比较了水库水位和坝体渗透性的影响。图6显示了考虑蓄水位和大坝渗透性变化的边坡安全系数变化。可以看出，随着蓄水位的升高，坝体的稳定安全系数明显降低，随着坝体渗透性的增加，坝体的稳定性安全系数也有所降低。研究表明，水库蓄水位和大坝渗透性是影响水库大坝边坡稳定性的重要因素。以h=16 m为例，最大剪应变增量分布如图7所示。它很容易显示出最危险滑动面的位置，大致为弧形滑动面。最危险的滑动面位于连接坝顶和坝脚的大坝背面。

3 结论

通过FLAC3D有限差分软件，采用流固耦合强度折减法对水库土石坝渗流和坝坡稳定性进行了分析。可以总结以下结论。

（1） 随着水库水位的升高，土石坝的水平位移显著增大。大坝中心轴线的位移线表明，最大位移发生在坝体内部。

（2） 结果表明，随着蓄水位的增加，渗流近似线性增加。随着大坝渗透系数的增加，渗流显著增加。

（3） 采用强度折减法分析土石坝边坡稳定性。随着水库水位和坝体渗透性的增加，坝体安全系数显著降低，表明水库水位和大坝渗透性是影响水库大坝边坡滑动灾害的重要因素。

参考文献

1. 李国玉.不同降雨和施工工况下某大坝左岸岩质边坡开挖稳定性分析[J].水科学与工程技术，2020（4）：84-87.
2. 姚颖.卡卢河大坝Q1石料场边坡稳定性评价[D].长沙：长沙理工大学，2019.
3. 崔洁.不同库水位升降速度对大坝边坡稳定性的影响研究[J].水利水电技术，2017，48（2）：155-159.
4. 晁燕安，蒋龙，李玉峰.乌东德水电站大坝边坡及建基面精细开挖技术[J].水利建设与管理，2020，40（8）：25-30.
5. 李翔宇.基于地基雷达干涉测量技术的大坝边坡形变监测与风险评价[D].郑州：华北水利水电大学，2020.
6. 黄亮.水位升降对库岸大坝边坡稳定性影响三维数值模拟研究[J].黑龙江水利科技，2021，49（1）：56-59.