某水库上游围堰二维渗流及背水坡稳定分析研究论文_王冬冬

摘要：某水库的兴建截流需要修建围堰，本工程上游采用心墙坝围堰，但心墙的防渗效果及背水坡的稳定性至关重要。本文根据地质资料建立了渗流及坝坡稳定的有限元计算模型，目的是了解围堰渗流场和围堰边坡稳定的情况。

关键词：围堰 渗流 稳定 坡降

0 引言

近年来对水资源的综合开发利用工作正进行的如火如荼，这对于水利水电工程行业的发展是个极大机遇与挑战。但是很多的水利工程修建以后也出现了各种问题，纵观各种病险不难发现水库大坝很少出现由于结构破损引起的稳定问题，相反由于渗流稳定引发的次生灾害却层出不穷。随着计算机技术的发展，数值实验和仿真分析可以部分替代和补充模型试验的研究。本文利用数值实验，分析围堰的渗流场，分析其岩土体的渗透稳定性的影响，同时分析其对围堰边坡稳定的影响。

1 渗流基本理论

考虑土水的压缩性，认为坝体内渗流符合达西定律，非稳定渗流微分方程式为：

（1）

式中，为水头函数；分别为x，y方向上的渗透系数；为贮水率；该方程根据质量守恒定理描述了流体在渗透介质的流动过程中，其在某一单元体内的增减速率等于进出该单元体流量速率之差。

水头边界为： （2）

流量边界为： （3）

对于瞬态渗流的计算采用Seep/w软件，它采用的是向后差分法，也即设置为1.0，则有限元方程简化为：

（4）

2 工程概况

某水库工程地处泾河一级支流黑河上，坝址位于黑河干流下游，距河口2.0km。工程建设开发的主要任务是给矿区工业供水和县城生活供水，同时兼有减淤、发电等功能，属综合利用的大（二）型Ⅱ等水利工程。本工程采用上下游围堰一次性拦断河床的围堰导流方式，利用泄洪排沙洞导流，根据招标技术文件，大坝施工导流建筑物按4级设计，导流标准选取为10年一遇的洪水标准，相应的洪峰流量为Q=1310m3/s，经调洪计算，堰前水位868.60m，堰顶高程869.80m。上游围堰轴线长度约412m，设计堰顶宽度8m，最大围堰高度18.80m。堰体上、下游坡比分别为1：2.2和1:2.0，围堰为粘土心墙防渗，在防渗心墙的上、下游分别为砂砾石填筑料区，围堰上游砂砾料填筑区迎水面。

3 稳定计算基本理论

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）要求，坝体抗滑稳定复核采用简化毕肖普法进行计算。本文采用有限元计算软件，基于刚体平衡理论，结合简化的Bishop法对边坡稳定性进行分析研究。计算公式如下：

（5）

式中：为安全系数；为有效粘聚力；为土体重量；为土体容重；位土体底部斜倾角；为有效内摩擦角；为水平地震力；为滑弧半径；为土条宽度。

4 模型建立与计算分析

本次二维渗流分析采用seep/w软件，稳定分析采用slope/w软件，共划分5个材料区域。各种材料的计算参数见表4-1：

表4-1 材料计算参数表

应用seep/w和slope/w建立有限元模型，材料区域的划分按照地质勘查所得出的地层特性划分，模型底部取到砂砾岩层，即相对不透水层，上下游方向取到坝踵和坝趾延伸一定距离，上游水位取堰前水位868.60m，下游无水进行计算分析，求得的渗流场与最小安全系数滑弧位置见图4-1、图4-2。

图4-1 某水库上游围堰渗流场

渗流计算时对于坝壳料与心墙料选择饱和-非饱和材料模型（Saturated/ Unsaturated），对于基质吸力与体积含水量之间的关系曲线由于缺少资料，采用Geo-studio自带的样条曲线近似模拟，基质吸力与渗透系数的关系应用基质吸力与体积含水量之间的关系曲线通过Fredlund&Xing法估算得出，其控制方程如下：

（6）

式中：为体积含水量；为函数的修正函数；为饱和体积含水量；为自然数；为负孔隙水压力；为拟合参数。参数为体积含水量函数的拐点，单位是kPa。通常略微大于空气进入值。参数控制了体积含水量函数的斜率，并且控制了残余含水量，分别描述如下：

（7）

（8）

（9）

式中：为曲线拐点含水量对应的基质吸力；s为经过拐点的函数切线斜率。

图4-2 某水库上游围堰背水坡最小安全系数对应滑动面

在进行稳定分析时不考虑砂砾岩，即认为滑弧位置不会穿过砂砾沿，对砂砾岩选择Bedrock材料模型，对其他土层材料选择Mohr-Coulomb模型。

4 结论与建议

（1）从围堰渗流场结果图可以看出，在心墙的作用下，围堰单宽渗流量为0. 42835×10-3m3/s，渗流量较小，同时心墙后围堰剖面的浸润线下降较多，说明围堰心墙起到了降低浸润线、减少渗流量的作用。

（2）坝基砂砾石覆盖层顶部的水头在心墙之前基本保持不变，保持26.3m的水头（以砂砾岩顶部作为参考面），在经过心墙时急剧下降，心墙后变为9m水头，即心墙后渗流溢出点距基岩面9m。

图4-2 坝基面水头大小 图4-2 渗透坡降大小

（3）坝基面渗流的最大渗透坡降为1.8，规范规定粘土的渗透坡降为小于4 即可满足要求，故从渗透坡降上看，此围堰满足要求，不会发生流土、管涌等渗透破坏。

（4）从下游坝坡的稳定看，采用毕肖普法求得的下游坝坡安全系数为1.75，大于相关规范要求的1.2，满足规范要求，可认为下游坝坡不会发生失稳破坏。

参考文献

[1]孙继昌，中国的水库大坝安全管理[J].中国水利，2008，(20):10-14.

[2]杜二霞，均质土坝渗流有限元分析研究：[硕士学位论文]，保定：河北农业大学，2002．

[3]江春波、梁东方，堤防在交变水位作用下的二维渗流分析，水利水电技术，1999，30(5)．

[4]陈祖煜.土质边坡稳定分析-原理方法程序[M].中国水利水电出版社，2003.01.

[5]张鲁渝. 一个用于边坡稳定分析的通用条分法[J]. 岩石力学与工程学报.2005，24(3)：496-501.

[6]曹军义、 展辰辉、 王改山. 土质高边坡稳定因素的敏感性分析[J].2005，24(S2): 5350-5354.

论文作者:王冬冬

论文发表刊物:《城镇建设》2020年第3期

论文发表时间:2020/4/14

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