杨顺平

（贵州省毕节市金海湖新区毛栗水库管理所，贵州 毕节 551600）

1 前言

水库大坝的稳定关系着国计民生，对下游居民生活安全造成重要影响，对水库发挥蓄水作用和下游生态环境的维护有着关键作用。大量学者对水库大坝的稳定性开展了研究。罗诗怡等采用FLUENT 软件对大桥的水库大坝进行了溃决的数值模拟研究。研究结果表明：相关溃决机理参数和水力、力学参数的变化过程，表明采用FLUENT 软件中的三维溃坝模型，对大桥的水库大坝进行的溃决模拟能够真实再现实际溃坝过程。叶祥飞对用于水力发电的水库大坝的安全稳定性能进行了研究。研究结果表明：琼中发电站的设计合理，能够使得发电站安全有效稳定运营。金建峰等对一水库大坝的渗流特征进行了现场监测数据分析研究。研究结果表明：所获取的监测数据能够证明坝基、坝址的选择合理，且相关单位的设计及修建安全达标；同时表明当前监测设施的设置能够合理、有效监测坝基及坝体渗流特征。陈曦等采用当前较为常用的模糊层次分析法，对位于农村地区的水库大坝的稳定性进行了双层次分析，分析结果表明：双层次模糊层次分析法可以实现对大坝的力学及流体特征的合理分析。

由上述讨论和分析可知，大量学者对蓄水和水力发电类的水库堤坝进行了研究，主要涉及坝基建设、施工、运营等多个方面，包含各类坝基安全问题。本文依托一实体水库蓄水工程，对涉及坝基安全的相关参数特征进行了研究。主要采用Geo-studio软件进行数值计算，对最不利水位条件下的坝基特性进行了讨论。

2 工程概况

水库在城市用水和相关工业领域中发挥着关键作用，实体水库堤坝的横断面图如图1所示，坝基高14 m，顶宽5 m，坝体底部长20 m；采用‘垂直截面+变坡度’截面设计；大坝坝基共有三层材料组成，由上至下分别为强夯土、砂卵石、现浇混凝土层；各层材料的相关物理力学参数如表1所示。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

Geo-studio 软件在建模上的优越性在本次数值建模过程中得到了充分体现，模型构建时，按照第2 节中的横断面标注的相关特征尺寸，采用多边形建模工具，进行实际长度绘制，根据图1，分层构建各个模块，再根据表1，设置三种不同的材料，这一步通过定义选项进行，然后将设置 好的各层材料赋值给相应的区域，完成模型创建和材料属性设置，最后计算分析并导出相应计算结果进行分析。

图1 水库大坝横剖面图

表1 各层材料物理力学参数

图2 构建的坝基模型图

3.2 坝体总水压变化

计算完成后，最后获得了大坝坝体内的总水压分布特征，如图3 所示；同时考虑最不利水位条件下的坝体内的渗流特征，特别输出了相应的坝体内的流量分布特征图。

根据图3所示，当水库内的水位上升到最不利水位12 m条件下时，堤坝内的总水压分布特征整体呈现出，上部总水压小，甚至出现了负的水压，最小水压约为-40 kPa；而下部总水压大，随着逐渐走向堤坝的下部，总水压呈现以多条平行斜线式的逐渐向下增大趋势，最下部的总水压为最大120 kPa，对应相应的最不利水位12 m 深，为最大水压；堤坝左侧的水压介于-40 kPa 至0 kPa 之间，表明该堤坝的材料选择、断面布置形式，实现了阻隔水流的向下游的渗流运动；水压变化速率从上部至下部大小相等。

图3 坝体内的总水压分布图

根据坝体内的流量分布可知，当水库内的水位上升到最不利水位12 m条件下时，堤坝内水流流量变化整体呈现出：右侧靠堤坝内水流流量较小，约为1e-9 m3，左侧位于下游方向的水流流量较大，约为1e-8 m3，整体的渗流水流流量较小；表明该堤坝的材料选择、断面布置形式，实现了阻隔水流的向下游的渗流运动；水流趋势从右侧至左侧表现为近似的水平运动特征，各层之间的最左侧水流流量不一，从上至下逐渐增大，最上层的最小，约为1.6e-9 m3，中间层左侧最大流量为3.6e-9 m3，最下层左侧最大流量约为1e-8 m3。各层最大流量极小，再次表明堤坝的材料选择、断面布置形式，实现了阻隔水流的向下游的渗流运动。

3.3 坝体内水头变化

为了研究坝体内的土体中水头变化规律，通过在Geo-studio中绘制图的方式分别绘制了坝体中部的水头在X方向的变化趋势图。同时为了能够显示最上部临近右侧最不利水位线处的坝体内的土体中水头变化特征，绘制了相应的大坝坝体上部的水头在X方向的变化趋势。可知，当水库内的水位上升到最不利水位12 m条件下时，坝体中部X方向的水头，从坝体下部至坝体上部出现大幅波动，开始时以凹型曲线逐渐增大，当达到高度约为5 m坝体位置处时，出现下跌，下跌至最小水头约为6.95 m；随后又显著上升至7.25 m 水头高度，5～8 m坝体中部位置处的水头变化呈现出折线型大幅波动变化，最大值上升至7.36 m 水头高度。坝体中部的水头在X 方向的水头处于6.95～7.36 m的变化范围内。

根据坝体上部的水头在X方向的变化趋势可知，当水库水位上升到最不利水位12 m时，坝体上部X方向的水头，从坝体下部至坝体上部近似呈现直线型下降变化趋势，最下端位置处的水头值最大，为12 m，最上端位置处的水头值最小，约为6 m，坝体上部水头在X方向的水头处于6～12 m的变化范围内。

上述对坝体中部和上部位置处的水头X 方向的沿高度变化趋势，表明在坝体中部的X 方向水头处于6.95～7.36 m，在坝体上部的X方向水头处于6～12 m。

4 结论

①坝体内的总水压分布特征整体呈现出，上部总水压小，下部总水压大，最大总水压为120 kPa，堤坝左侧的水压介于-40 kPa至0 kPa之间，表明该堤坝的材料选择、断面布置形式合理。②坝体水流趋势从右侧至左侧表现为近似的水平运动特征，最左侧水流流量从上至下逐渐增大，最小约为1.6e-9 m3，最大流量约为1e-8 m3。各层最大流量极小，表明该堤坝的材料选择、断面布置形式，实现了阻隔水流的向下游的渗流运动。③坝体中部的X方向水头处于6.95～7.36 m的变化范围内，而在坝体上部的X 方向水头处于6～12 m 的变化范围内。类似工程中，可参考该坝体截面形式和材料选择进行设计施工。