陳章淼，代 彬

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

壩體安全關(guān)系到水利工程的正常使用以及下游居民生產(chǎn)生活的安全，準(zhǔn)確評價(jià)壩體安全是十分必要的[1]。影響壩體安全的因素眾多，水是其中一個(gè)重要的因素，水可以降低壩體材料強(qiáng)度，同時(shí)水壓力也是誘發(fā)壩體破壞的一個(gè)主要因素[2]，壩體自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是影響其最終穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素[3]。目前，針對壩體滲流、穩(wěn)定性研究的主要方法包括：數(shù)值模擬[4- 10]、理論計(jì)算[11- 12]。張寅寅等[13]使用有限元數(shù)值模擬分析不同排水條件下土壩滲流及穩(wěn)定性情況；魏玉師[14]基于Bishop理論通過FORTRAN語言自編滲流分析軟件，研究非飽和尺度土坡滲流及穩(wěn)定性情況。

1 心墻壩計(jì)算模型

1.1 壩體結(jié)構(gòu)

萬營水庫位于萬營河上，距水城縣城約80km，集水面積7.30km2。流域處于梯級狀斜坡地帶，萬營水庫為小(1)型水庫。

水庫大壩為黏土心墻防滲風(fēng)化料壩，大壩壩頂設(shè)防浪墻，墻頂高程為1579.100m，高出壩頂1.0m，壩頂高程為1578.100m、長95.135m、寬6.0m，最大壩高為41.1m。壩軸線方位角為NE20°10′5"。

壩體填筑料見表1。

表1 壩體填筑料標(biāo)準(zhǔn)

表2 材料數(shù)值模擬參數(shù)

1.2 計(jì)算參數(shù)

大壩采用黏土直心墻防滲，防滲料選用壩址附近的黏土料，上游及下游填筑區(qū)采用料場風(fēng)化料、開挖洞渣料及開挖全風(fēng)化料。材料參數(shù)見表2。

2 數(shù)值模擬模型建立及計(jì)算工況設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)心墻壩特征建立數(shù)值模擬模型(Geo-Studio)，模型地基自壩基至不透水層，建立水頭變動時(shí)間參數(shù)來模擬水頭變化過程，數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算工況

為了分析不同水位變動工況(正常蓄水位到死水位，30年一遇洪水位到正常蓄水位，死水位到正常蓄水位，正常蓄水位到30年一遇洪水位)下心墻壩的響應(yīng)特征，確定庫水位變動速率為0.2、0.5、1.0m/d，通過滲流量、浸潤線以及上、下游壩坡安全系數(shù)來反映心墻壩的響應(yīng)特征。水位變動時(shí)壩體響應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算工況見表3。

表3 計(jì)算工況

同時(shí)為了研究不同防滲墻深度對壩體防滲的影響，確定防滲墻深度為20、30、40m，研究庫水位在1556、1565、1575、1576.93m情況下的滲流情況。

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

2.3.1浸潤線分布特征

不同庫水位的壩體浸潤線如圖2所示。由圖2可知，在庫水位恒定的情況下，不同庫水位浸潤線變化曲線分布規(guī)律較為一致，在心墻部位浸潤線出現(xiàn)明顯的下降，這是由于心墻滲透系數(shù)較低，具有較好的防滲阻水效果。同時(shí)可以看出下游壩坡范圍內(nèi)浸潤線分布較為密集，這表明上游壩坡的浸潤線高度比下游壩坡的浸潤線浸潤線高度對庫水位的變動響應(yīng)更為敏感。

圖2 20m防滲墻不同庫水位浸潤線

不同庫水位上升速率壩體浸潤線變化情況如圖3所示。由圖3可知，水位變化時(shí)浸潤線變化規(guī)律與靜態(tài)水位變化規(guī)律明顯不同，浸潤線突降部位位于心墻上游處，高水位浸潤線與低水位浸潤線在心墻下游邊界處匯集，水位上升過程中，浸潤線分布較為密集。

圖3 不同水位上升速率的浸潤線分布特征

2.3.2防滲墻深度對滲流的影響

不同防滲墻深度對滲流量影響的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4中可知，心墻壩滲流量與庫水位高程呈正相關(guān)關(guān)系，與防滲墻深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；滲流量隨著庫水位的增高以及防滲墻深度的減小而增大。這表明隨著防滲墻深度的增加，其防滲堵水效果越好。

圖4 不同深度的防滲墻滲流量

2.4 壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

2.4.1不同庫水位的壩體穩(wěn)定性分析

壩體穩(wěn)定性是壩體安全性的直接反應(yīng)，具有重要的研究意義和實(shí)際價(jià)值。上游壩坡、下游岸坡安全系數(shù)與庫水位關(guān)系見圖5。由圖5中可知庫水位越高，上游壩坡安全系數(shù)越低，下游壩坡安全系數(shù)越高，3種防滲墻深度，上游壩坡均處于安全，但下游壩坡只在防滲墻深度為40m時(shí)處于安全。

圖5 不同庫水位與上、下游壩坡安全系數(shù)關(guān)系

2.4.2水位變動對壩體穩(wěn)定性的分析

水位變動過程中，壩坡安全系數(shù)變化過程如圖6。由圖6中可知，在初始狀態(tài)下，壩坡安全系數(shù)均處于較高水平，在水位變動過程中，壩坡安全系數(shù)處于一個(gè)動態(tài)變化的過程，隨著庫水位的上升，壩體安全系數(shù)逐漸減小，且水位變動速率越大，初期安全系數(shù)變化幅度越大，但水位達(dá)到最高值并穩(wěn)定一段時(shí)間后，各個(gè)工況的安全系數(shù)趨于一致；之后隨著水位降低，壩坡安全系數(shù)逐漸增大，且當(dāng)?shù)竭_(dá)同一水位高程時(shí)，水位下降越慢，壩坡的安全系數(shù)越高。這主要是因?yàn)?，在庫水位快速下降過程中，壩坡內(nèi)部的水并未完全排出，壩坡材料處于飽水狀態(tài)，強(qiáng)度較低，且?guī)焖焖傧陆到档土怂畨毫纹路€(wěn)定產(chǎn)生的正向作用。

圖6 壩坡安全系數(shù)與水位變動速率關(guān)系

3 結(jié)論

以萬營水庫心墻壩為例，通過數(shù)值模擬對心墻壩庫水位變動響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，獲得以下主要結(jié)論。

(1)在心墻部位浸潤線會出現(xiàn)陡降，這表明心墻具備較好的防滲效果。

(2)隨著防滲墻深度的增加、庫水位的降低，滲流量逐漸減小。

(3)壩坡安全系數(shù)與庫水位關(guān)系密切，庫水位越高，壩體安全系數(shù)越小，且?guī)焖蛔儎铀俾试酱?，安全系?shù)變化越劇烈，因此在蓄水、防洪排水過程中應(yīng)保證庫水位的變化速率以保證壩體的安全。