刘娟奇，王志强,2，梁收运

(1.兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)



库水位下降对新集水库均质土坝渗流及稳定性影响分析

刘娟奇1，王志强1,2，梁收运1

(1.兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)

摘要：针对库水位下降对土石坝坝体滑坡的影响，以新集水库均质土坝为研究对象，基于非饱和土体渗流的基本理论，分析了不同速度库水位下降条件下，均质土坝非稳定渗流场的变化规律，计算了在渗流作用下坝坡的安全系数，分析了水库从35 m正常蓄水位以速度0.1 m/d、0.5 m/d、1 m/d、3 m/d、6 m/d、10 m/d下降到5 m最低水位坝体内浸润线和坝坡稳定性，得到了坝体内浸润线及坝坡安全系数随水位下降速度的变化规律，以期为新集水库坝坡的渗流稳定分析及正常运行提供参考。

关键词：均质土坝；渗流；饱和-非饱和；浸润线；稳定性

土坝是水库枢纽的主要建筑物之一，主要起着拦蓄洪水的作用，它具有对地质条件要求低，造价低廉的特点，因此得到了广泛的应用。在土坝研究中，土坝的安全一直是人们关注的重点，而渗流是威胁土坝安全的主要因素之一，因此土坝的渗流问题越来越引起人们的关注[1]。水库在运行期间，当遇到当地雨季来临或者暴雨相对集中的时候，为了水库的安全运行，就要根据库容量实时泄水，保证水库的安全，此时库水位就会以不同的速度下降。水库水位下降会改变坝体正常的渗流状态，不同的水位下降速度下，渗流场的变化也不同，坝体渗流场的改变，会影响上游迎水坝坡的稳定性，尤其当水库长期蓄水之后水位的下降，这种影响更加明显[2]。如1968年湖南省流光岭水库均质土石坝由于水位降落，坝体内渗流场变化导致上游坝坡严重滑坡；1970年10月，江西省七一水库粘土心墙坝，由于在坝体右岸开挖引水隧洞的影响，致使库水位开始快速的下降，进而改变了坝体内的渗流场，最终导致迎水面坝坡发生严重的破坏[3]；1979年湖北省狮子岩水库土坝上游坝坡受库水位骤降影响产生滑坡；1972年—1981年间福建省发生的一些土石坝滑坡，其中有12座是由库水位降落引起的，在美国、日本30%～40%的坝体滑坡也是由于库水位的下降而引起的[4]，因此对于土坝有必要进行库水位下降工况下坝体内渗流场的分析，进而为坝体稳定性分析以及安全评价提供参考。

本文以新集水库均质土坝为研究对象，考虑了土坝粉质粘土的渗透系数、体积含水率与基质吸力的函数关系，利用有限元数值分析软件Geo-slope中的Seep/w模块分析在不同的库水位下降情况下，土坝非稳定渗流场的变化规律[5]，得到了坝体内不同时刻浸润线的变化趋势，然后将计算得出的不同时刻坝体渗流孔隙水压力值应用于Slope/w模块，分析了渗流影响下不同水位下降速度迎水面坝坡的稳定性，计算了渗流场变化时的坝坡稳定安全系数[6-8]。

1　非饱和土体渗流分析原理

1.1饱和-非饱和渗流的基本微分方程

水库水位以不同的速度下降时，由于坝体材料透水性的不同，就会引起坝体内浸润线有不同的变化趋势,孔隙水压力值也随之变化，考虑《碾压式土石坝设计规范》[9](SL274-2001)中库岸边坡内自由水面的曲线方程，为了更加准确的分析坝体渗流及稳定性，采用有限元数值分析法进行渗流场和稳定性分析[10]。

非饱和土体渗流理论公式基于饱和与非饱和土体渗流的达西定律，表述如下[11]：

q=ki

(1)

式中：q为单位体积的流量；k为渗透系数；i为总水头梯度。

非饱和渗流基本微分方程：

(2)

若假设总应力与孔隙气压力对时间的导数为零，则可得：

(3)

(4)

非饱和土体的渗流方程从形式上看与饱和土体完全类似，但不同的是非饱和渗透系数不是常数，而是随着点的位置的变化而变化，为所在点的体积含水率或饱和度或者基质吸力的函数，将上式进一步展开，可得如下非线性方程：

(5)

1.2非稳定渗流定解条件

土坝非稳定渗流的定解条件包括初始条件和边界条件，初始条件为：

h|t=0=h0(x,z,0)

根据渗流场情况边界条件可以分为三类：

(1)场变量(水头H)的边界条件：

h|Γ1=H1(x,y,z,t)

(2)水流梯度(流量Q)的边界条件：

(3)混合边界条件：

1.3饱和-非饱和渗流的数值解法

进行饱和-非饱和渗流的数值求解时，将渗流场划分为小的单元体，依此进行迭代计算，此时考虑渗流计算的迭代方程为：

(6)

(7)

2　有限元数值计算与渗流分析

利用Geo-slope有限元分析软件中的Seep/W模块，模拟在不同的库水位下降的情况下坝体内浸润线的变化规律。

2.1计算模型

新集水库枢纽工程位于甘肃省灵台县百里乡政府上游的达溪河上，水库正常蓄水位35.0 m，工程设计总库容为3.21×107m3，回水长度约6.4 km，库周长25.7 km，库水面积3.2 km2，最大坝高41.5 m，大坝坝顶高程为1 068.50 m，坝顶宽8.0 m，坝体上游边坡为1∶3和1∶3.5，在高程为1 059.00 m处设宽度为2.0 m的马道，下游坝坡比也为1∶3和1∶3.5，在高程为1 049.00 m处设宽度为3.0 m的马道，上游坡采用现浇C20F250混凝土板护坡，下游坡采用C20混凝土网格草皮护坡，设置贴坡排水，坝型主要为均质土坝，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，根据Geo-slope提供的网格剖分功能，将坝体划分为四边形和三角形组成的网格，大坝最大横断面计算模型及网格剖分图如图1所示。

图1坝体断面及有限元网格图

大坝正常蓄水位为35.0 m，上游坡面边界条件随时间变化，水位从35.0 m以不同的速度下降到5.0 m，坝体背水坡坡面为潜在的自由渗流面，坝体其他部位以及坝基设置为不透水边界。坝体断面经过有限元网格划分，共划分为1 431个单元以及1 537个节点，坝体材料为粉质粘土，根据土样的试验数据，通过试样经验估算坝体土的体积含水率函数，然后由饱和渗透系数和体积含水率函数应用Van Genuchten方法估算土体的渗透系数函数[14]，根据估算体积含水率和渗透系数随着基质吸力在一定的范围内保持不变，然后随着基质吸力的增大逐渐减小，函数曲线分别如图2、图3所示。

2.2计算工况

考虑水库库水位泄水速度不同时会对坝体渗流场和坝坡稳定性造成不同的影响，为了进行渗流和稳定性分析，需要确定库水位下降过程中各时段坝体内浸润线的位置及变化规律，为定量分析上述水库使用过程中可能出现的水位下降对坝体稳定性的影响,依据水库在正常蓄水位时期和洪水位时期泄水的情况，特设计了如下水位下降计算方案，根据野外取样和室内物理力学试验的结果，坝体材料的物理力学参数及计算工况如表1所示。

图2坝体体积含水率函数曲线

图3坝体渗透系数函数曲线

表1　坝体材料物理力学参数及计算工况

2.3渗流计算与结果分析

水库水位在下降的过程中土坝的渗流场是动态变化的，下降的各个时期坝体内的浸润线也在发生变化，各不相同。通过非饱和土体渗流分析软件Geo-slope中的Seep/W模块，模拟出了库水位下降初期坝体的渗流场分布，以及库水位分别以0.1 m/d、0.5 m/d、1 m/d、3 m/d、6 m/d、10 m/d的速度从35 m下降到5m时坝体内浸润线的分布。库水位下降初期即为正常蓄水位35 m时土坝的渗流场分布如图4、图5所示。

图4库水位下降初期土坝总水头等势线分布

图5库水位下降初期土坝孔隙水压力分布

首先考虑库水位下降坝体的渗流计算，水位以0.1 m/d、0.5 m/d、1 m/d、3 m/d、6 m/d、10 m/d的速度下降，最终水位为5 m，保持和下游水位平衡，大坝底部为不透水的边界，通过饱和-非饱和稳定渗流计算，坝体上游水位为35 m时的计算结果为初始渗流场，然后把初始渗流场作为计算的初始条件，计算不同工况下坝体内各个时刻的浸润线变化趋势，不同降速下坝体内浸润线的分布如图6所示。

从图6可以看出，v=10 m/d时库水位下降到5.0 m时所用的时间为5 d，坝体内浸润线的最高点与最低库水位之间的距离最大，v=0.1 m/d时库水位下降到5.0 m时所用的时间为300 d，坝体内浸润线的最高点与最低库水位之间的距离最小，基本处于同一水平位置，库水位速度从10 m/d下降为0.1 m/d的过程中，坝体内的浸润线发生了明显的变化，表现为渗流自由面上半段随着降速的减小上弯程度减弱，浸润线变的越来越平缓，当v=0.1 m/d时浸润线接近于水平，库水位下降速率越大，坝体内渗流场的变化和水位下降时间越不同步，浸润线随着水位的下降，滞后时间越长，坝体内孔隙水不能及时排出，对坝体的稳定性越不利。

由图6可知，库水位下降的过程中，浸润线在坝体内的高程随着速率的减小也在下降，但是由于粉质粘土的保水性，致使浸润线最高点的下降速率始终滞后于水位的下降速率，尤其当水位下降速率过快，即v=10 m/d甚至更大时，此时坝体外的静水压力会急剧的减小，而坝体内的孔隙水压力来不及随着静水压力的减小在坝体内消散，两者之间不能够相互平衡，就会在坝体迎水面的坝坡形成向上的渗流，此时产生的渗流压力会降低上游坝坡的稳定性，甚至导致坝体滑坡破坏。

图6不同库水位下降速度渗流浸润线变化

下游半边坝体渗流场在不同的库水位下降过程中也有显著的变化，库水位下降速度从大到小的过程中，渗流的范围越来越大，同时渗流自由面也有一定的变化，表现为渗流自由面的曲率变得越来越平缓。

3　非稳定渗流下坝体稳定性计算

在非稳定渗流计算结果的基础上进行坝坡的稳定性分析，坝坡的稳定性计算采用极限平衡法中的斯宾塞法(Spencer)，此方法在计算的过程中不考虑各个条块之间的孔隙水压力，条块之间的合力与水平方向的夹角假定不变，受力条件满足力的平衡，且对于任意形状的滑面都是适用的[15]。

库水位的下降可以看作是瞬态渗流问题的分析，通过有限元数值分析软件Geo-slope中的Seep/W模块对土坝稳定时的瞬态孔隙水压力进行分析，得到不时刻不同点的孔隙水压力分布状况，然后将渗流计算结果导入边坡稳定计算分析Slope/W模块中，进行坝坡稳定性计算。在不同的库水位下降速率工况下，库水位高程与安全系数之间的关系如图7所示，应用不同的极限平衡分析方法对坝坡安全系数进行计算，结果如图8所。

图7库水位高程与安全系数的关系

由图7可知，库水位以不同的速度下降时，随着库水位的降低，坝坡的安全系数呈现出整体的下降，水位下降速度越大，安全系数下降的速率也越大，而且当库水位从35 m下降到5 m时，水位下降速度越大，对应的安全系数越小，水位下降速度为10 m/d时，对应的最小安全系数为1.18，速度为0.1 m/d时，对应的最小安全系数为1.552，所以水位下降速度越大，安全系数最小值越小，坝坡越不安全。当水位下降速度为3 m/d、6 m/d、10 m/d时，安全系数的曲线一直下降，不存在最小值，而库水位下降速度为0.1 m/d、0.5 m/d、1 m/d时，安全系数曲线先逐渐下降，然后又逐渐上升，在库水位为13.23 m、9.42 m时，安全系数达到最小，水位继续下降，对坝体的稳定性是有利的。

图8库水位下降速率与安全系数的关系

由图8可知，应用Spencer法、Janbu法、Ordinary法三种不同的极限平衡分析方法对坝坡的安全系数进行分析，Spencer法得到的安全系数较大，Ordinary法得到的安全系数偏小。根据《碾压式土石坝设计规范》[9](SL274-2001)，新集水库的工程等级为Ⅲ级，根据规范要求，在正常运用条件下，坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.30，当库水位分别以3 m/d、6 m/d、10 m/d的速度下降时，库水位分别下降到9.42 m、13.23 m、16.5 m时，坝坡的最小安全系数已经小于1.30，超出了规范要求的稳定性系数范围，坝坡处于危险状态，有可能失稳破坏。

4　结　论

本文考虑非饱和土体非稳定渗流理论，利用岩土数值分析软件Geo-slope中的Seep/W模块和Slope/W模块，分析了新集水库在库水位以不同的速度下降的情况下，新集水库均质土坝坝体内浸润线的变化规律，根据坝体渗流场的计算结果，采用极限平衡理论分析了不同水位下降速率对坝坡安全系数的影响，结果表明：

(1)坝体上游坝坡水位下降速率越大，坝体内渗流场的变化和水位下降时间越不同步，浸润线随着水位的下降，滞后时间越长。水位下降过快，孔隙水压力来不及消散，就会在坝体迎水面的坝坡形成向上的渗流，此时产生的渗流压力会降低上游坝坡的稳定性，甚至导致坝体滑坡破坏。

(2)下游坝体渗流场在库水位下降的过程中，渗流的范围越来越大，表现为渗流自由面的曲率变得越来越平缓。

(3)库水位以不同的速度下降时，水位下降速度越大，安全系数下降的速率也越大，坝坡的安全系数越小，当库水位下降速率小于3 m/d时，在库水位从35 m下降到5 m的过程中，安全系数曲线先逐渐下降，然后又逐渐上升，存在一个最小值，满足坝坡稳定性安全。当库水位下降速率大于3 m/d时，库水位下降到一定高程时，坝坡的最小安全系数会小于1.30，超出了规范要求的稳定性系数范围，坝坡有可能失稳破坏。

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AnalysisoftheEffectontheSeepageandStabilityofHomogeneousEarthDamofXinjiReservoirduringtheWaterLevelDrawdown

LIU Juan-qi1,WANG Zhi-qiang1,2,LIANG Shou-yun1

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China;2.GansuInvestigation,Design&ResearchInstituteofWaterConservancyandHydropower,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：According to the effect of water level drawdown on the landslide of earth rock dams,based on saturated-unsaturated seepage theory,the Xinji reservoir homogeneous earth dam was studied.The unstable seepage field changing rules at different drawdown rate were analyzed,and the safety factor of the dam under the action of seepage was calculated.Meanwhile the phreatic line within the dam and the dam slope stability were analysed when the reservoir water level was decreased from the 35 m-normal water level to the 5 m-lowest water level with the speed of 0.1 m/d,0.5 m/d,1 m/d,3 m/d,6 m/d,10 m/d,from which the dam phreatic line and slope safety factor variations with the rate of water level drawdown were obtained.All of this will provide references for the stability analysis and safety evaluation of Xinji reservoir dam.

Keywords：homogeneous earth dam；seepage;saturated-unsaturated;phreatic line;stability

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.007

中图分类号：TV641.2

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0038—06

作者简介：刘娟奇(1988—)，男，甘肃平凉人，硕士研究生，研究方向为岩土体力学与工程。

收稿日期：2014-09-03修稿日期：2014-10-15