考虑饱和-非饱和渗流的土石坝渗流及稳定性计算

2019-10-12张守仁安徽省地质实验研究所安徽合肥230000

安徽建筑 2019年9期

张守仁（安徽省地质实验研究所，安徽合肥 230000）

1 引言

土石坝施工简单，地质条件要求低，造价便宜，因此是水利工程建设中一种重要的坝形[1]。在水库运行期，土石坝的渗流场实际上是饱和渗流场与非饱和渗流场的统一结合体[2-4]。然而在目前常规的渗流分析中，往往只考虑了坝体在饱和渗流状态下的渗流和稳定性计算情况，并运用该结果来指导土石坝的施工。然而这与坝体的实际渗流场分布不相符，应用该结果来指导实践必将出现偏差，不利于施工安全。因此，开展土石坝在饱和-非饱和渗流状态下的渗流计算和稳定性计算是极有必要的。

鉴于此，本文以某土石坝为研究对象，基于Geostudio软件的渗流计算和稳定性计算结果，分析了该土石坝在考虑饱和-非饱和渗流状态下的渗流计算结果与稳定性计算结果，以期能为后面的工程提供参考。

2 工程概况

某土石坝位于山脊垭口处，坝基坐落在原生土层上，下伏岩石为强风化泥岩夹砂岩，强风化基岩一般在坝轴线处凸起成鞍形。该土石坝为粉质粘土含粘质砂土均质坝，坝顶为泥结石路面，坝顶高程728.05m～728.08m，坝顶宽4.93m，上游侧设1.2m高防浪墙。坝轴线长24.5m，最大坝高2.23m。上游坝坡坡比为1:1.2，采用混凝土预制块护坡；下游坝坡综合坡比为1:1.93，无排水设施。

3 渗流计算

3.1 工程概况

本文采用Geo-studio软件进行数值模拟计算，根据工程资料建立了数值网格模型。模型共有6780个节点，6846个单元，网格模型图及材料分类如图1所示。

图1 整体数值网格模型

3.2 计算参数

对于非饱和土有两个较为重要的参数，分别为土水特征曲线和渗透系数。目前国内外常通过在少量试验的基础上建立模型对土水特征曲线进行预测[5]。本文中坝体材料的非饱和渗透系数采用Geo-studio软件内置的Frelund和Xing模型来拟合获得。在水库运行期内，基岩处于库水的长期浸泡中，基本处于饱和状态，因此设置渗透系数时直接设定为饱和渗透系数值，本文在进行渗流计算时主要考虑坝体材料中占比较大的粉质粘土、填土和砂砾石等材料的非饱和渗透系数。

3.3 边界条件

土石坝在库水位稳定在某一水位或库水位变动条件下渗流问题的边界条件为水头边界条件，可表达为：

H(x，y，t)|s=H1(x,y,t)

式中，H(x,y)表示在二维条件下土石坝模型某一边界S在t时刻的水头，根据土石坝在稳定或变化库水位情况下的渗流条件，可确定该边界S的水头边界值H1(x,y,t)。

渗流计算参数表1

土坝坝坡稳定计算各材料物理力学指标表2

3.4 计算工况

本次计算拟计算正常蓄水位和校核洪水位两种工况，分别如下

工况1：正常蓄水位（724m）+下游无水；

工况2：校核洪水位（727.08m）+下游无水；

3.5 计算结果

3.5.1 正常蓄水位工况

图2 正常蓄水位工况下仅考虑饱和土和考虑非饱和土的渗流结果对比图

该土石坝在正常蓄水位工况下的渗流计算结果表明，考虑饱和-非饱和渗流计算结果的浸润线相对于考虑饱和渗流计算结果的浸润线较高。考虑饱和渗流计算结果得出的土石坝单宽渗流量为5.560×10-4 m3/d·m，而考虑饱和-非饱和渗流计算结果得出的土石坝单宽渗流量为8.037×10-4 m3/d·m。因此，考虑饱和-非饱和渗流计算结果得出的渗流量相较于考虑饱和渗流计算得出的渗流量要大很多。

3.5.2 校核洪水位工况

该土石坝在校核洪水位工况下的渗流计算结果表明，考虑饱和-非饱和渗流计算结果的浸润线相对于考虑饱和渗流计算结果的浸润线较高。仅考虑饱和渗流计算结果的土石坝单宽渗流量为8.380×10-4m3/d·m，而考虑饱和-非饱和渗流计算结果的土石坝单宽渗流量为12.113×10-4m3/d·m。故考虑饱和-非饱和渗流计算结果得出的渗流量相较于考虑饱和渗流计算得出的渗流量要大。