不同类型降雨联合库水位骤降黏土心墙坝坝坡渗透稳定数值模拟研究

陈 园

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 311231)

0 引 言

降雨与库水位变化是边坡失稳的重要诱因[1-4]，降雨与库水位会使得边坡内部的孔压升降[5-6]，土体的强度参数因遇水而降低[7-8]，有效应力变化[9-10]，因此在最不利工况下会导致边坡的失稳灾害。对于降雨与库水位联合下的边坡渗透稳定性研究，国内外已经有大量的研究成果。如王乐[11]利用Geo-studio软件对降雨与库水位联合下的边坡渗透稳定性进行了数值模拟研究；陈玉华[12]基于重庆奉节县某滑坡的实测资料，对降雨联合库水位条件下的渗透稳定性进行了有限差分模拟；李炎隆等[13]利用Seep/w对秭归县八字门滑坡库水位联合降雨条件下的渗流特性以及稳定性进行了评价。但是以上研究仅仅考虑降雨发生在库水位骤降结束时刻或者库水位骤降开始时刻，没有考虑降雨发生在库水位骤降的不同时刻。实际上，库水位骤降持续时间较长，而降雨发生的时间持续相对较短[14]，目前还未有文献进行实际土石坝坝坡在库水位骤降联合降雨这种情况的相关研究。

本文利用Geo-studio软件，以宜春市某黏土心墙坝为例，针对库水位及不同类型降雨条件下的上下游坝坡渗流特性以及稳定性进行数值模拟评价，重点研究不同类型降雨发生在库水位骤降的不同时刻，为该工程在不同工况下的渗透稳定性规律提供直观的认识。

1 计算理论

1.1 非饱和理论

非饱和渗流的控制方程形式为[15]：

(1)

式中：kr为相对透水率；kij为饱和渗透张量；hc为压力水头；Q为源汇；C(hc)为容水度；θ为压力水头函数；n为孔隙率；Ss为单位贮水量。

1.2 非饱和抗剪强度理论

非饱和抗剪强度理论采Fredlund双应力变量公式[15]：

s=c′+σntanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

式中：c′与φ′为有效强度参数；σn为法向总应力与孔隙气压力的差值；ua为孔隙空气压力；uw为孔隙水压力；φb为由负孔隙水压力而提高的强度。

2 计算模型与边界条件

计算模型选择以宜春市温汤河四方井水利枢纽工程黏土心墙坝的典型剖面为例，四方井黏土心墙坝是一座以防洪、供水为主，兼顾发电等综合效益的大(Ⅱ)型水利枢纽工程。坝址以上控制流域面积约173 km2，工程初拟正常蓄水位152 m(黄海高程)，死水位125 m，坝顶高程156.20 m，最大坝高51.70 m，水库总库容约1.189 5×108m3。计算模型及模型网格见图1。

图1 计算模型及模型网格Fig.1 Computational model and model grid

在图1(a)中，为减少边界的影响，地基厚度选取50 m，长度为300 m，设置4个监测点，即上部1监测点(简称上1)，上部2监测点(简称上2)，下部1监测点(简称下1)，下部2监测点(简称下2)，用来监测各个工况下坝体内部的孔压变化。其中，A点、B点分别位于上游坝坡的上部与下部，C点、D点分别位于下游坝坡的上部与下部。在图1(b)中，整个模型一共划分为4 235个单元，4 183个节点。

边界条件如下：①bcde为库水位边界；②efgh为降雨入渗边界；③hi为自由渗出边界；④ab、ak、ijk为不透水边界。

3 计算参数

黏土心墙坝的各分区参数根据野外勘测及室内试验进行综合确定，物理力学参数见表1，不同材料分区的土水特征曲线见图2。

表1 坝体材料力学参数Tab.1 Mechanical parameters of dam materials

图2 土水特征曲线Fig.2 Soil water characteristic curve

4 计算工况

为综合研究库水位骤降联合降雨工况下四方井黏土心墙坝上下游坝坡的渗透稳定特征，根据水库多年运行经验，取库水位骤降速率分别为0.5、1与1.5 m/d，结合不同类型降雨(平均型降雨、前锋型降雨、中锋型降雨和后锋型降雨)进行相应计算，库水位骤降耦合不同时刻不同类型降雨工况见表2，降雨时程曲线见图3。

表2 计算工况Tab.2 Calculation conditions

图3 降雨历程曲线Fig.3 Rainfall history curve

5 计算结果分析

5.1 孔压变化规律

不同监测点的孔压变化规律见图4。

由图4可见，不同监测点的孔压变化具有较大差异，这种差异在上游坝坡处的监测点与下游坝坡处的监测点的差异最为明显。对于上游坝坡处的监测点来说，监测点的孔压变化对不同类型降雨不敏感，仅上1监测点处在不同类型降雨发生在44～54 d时孔压出现小幅的上升，总体孔压仍然呈现随库水位持续下降的趋势；对于下游坝坡处监测点来说，降雨发生在库水位下降的不同时刻下孔压均有一个大幅上升的过程，不同类型降雨使得孔压达到最大的先后顺序分别是前锋型≥中锋型≥平均型≥后锋型，下游坝坡上部监测点(下1)不同类型降雨所达到的最大孔压几乎一致，下部监测点不同类型降雨所达到的最大孔压值则不同，呈现前锋型降雨≤平均型≤中锋型≤后锋型的规律。

5.2 安全系数变化规律

上下游坝坡安全系数的变化规律见图5。

图4 孔压变化规律Fig.4 Variation of pore pressure

图5 安全系数变化规律Fig.5 Law of variation of safety factor

对于上游坝坡来说，降雨发生在库水位骤降时刻越后，最小安全系数越小；对于不同降雨类型来说，最小安全系数大小排序为后锋型≤平均型≤中锋型≤前锋型，总体变化规律则较为类似。

对于下游坝坡来说，库水位骤降下安全系数呈现一直上升的趋势，在降雨时刻则有个突然下降的过程，不同类型降雨的峰值越前，最小安全系数出现时间越早。对于平均型降雨来说，降雨发生在44～54 d安全系数最小；对于前锋型与后锋型降雨来说，降雨发生在22～32 d安全系数最小；而对于中锋型降雨来说，降雨发生在0～10 d安全系数最小。

6 结 论

1) 上游坝坡处的监测点孔压变化对不同类型降雨不敏感，下游坝坡处监测点不同类型降雨下孔压变化差异较大，降雨发生在库水位下降的不同时刻下孔压均有一个大幅上升的过程。

2) 不同类型降雨使得孔压达到最大的先后顺序分别是前锋型≥中锋型≥平均型≥后锋型，下游坝坡上部监测点(下1)不同类型降雨所达到的最大孔压几乎一致，下部监测点不同类型降雨所达到的最大孔压值则不同，呈现前锋型降雨≤平均型≤中锋型≤后锋型的规律。

3) 对于上游坝坡来说，降雨发生在库水位骤降时刻越后，最小安全系数越小；对于不同降雨类型来说，最小安全系数大小排序为后锋型≤平均型≤中锋型≤前锋型，总体变化规律则较为类似。

4) 对于下游坝坡来说，库水位骤降下安全系数呈现一直上升的趋势，在降雨时刻则有个突然下降的过程，不同类型降雨的峰值越前，最小安全系数出现时间越早。对于平均型降雨来说，降雨发生在44～54 d安全系数最小；对于前锋型与后锋型降雨来说，降雨发生在22～32 d安全系数最小；而对于中锋型降雨来说，降雨发生在0～10 d安全系数最小。