库水位变化心墙坝渗流稳定性响应特征研究

陈章淼，代 彬

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

坝体安全关系到水利工程的正常使用以及下游居民生产生活的安全，准确评价坝体安全是十分必要的[1]。影响坝体安全的因素众多，水是其中一个重要的因素，水可以降低坝体材料强度，同时水压力也是诱发坝体破坏的一个主要因素[2]，坝体自身结构设计也是影响其最终稳定性的一个重要因素[3]。目前，针对坝体渗流、稳定性研究的主要方法包括：数值模拟[4- 10]、理论计算[11- 12]。张寅寅等[13]使用有限元数值模拟分析不同排水条件下土坝渗流及稳定性情况；魏玉师[14]基于Bishop理论通过FORTRAN语言自编渗流分析软件，研究非饱和尺度土坡渗流及稳定性情况。

1 心墙坝计算模型

1.1 坝体结构

万营水库位于万营河上，距水城县城约80km，集水面积7.30km2。流域处于梯级状斜坡地带，万营水库为小(1)型水库。

水库大坝为黏土心墙防渗风化料坝，大坝坝顶设防浪墙，墙顶高程为1579.100m，高出坝顶1.0m，坝顶高程为1578.100m、长95.135m、宽6.0m，最大坝高为41.1m。坝轴线方位角为NE20°10′5"。

坝体填筑料见表1。

表1 坝体填筑料标准

表2 材料数值模拟参数

1.2 计算参数

大坝采用黏土直心墙防渗，防渗料选用坝址附近的黏土料，上游及下游填筑区采用料场风化料、开挖洞渣料及开挖全风化料。材料参数见表2。

2 数值模拟模型建立及计算工况设计

2.1 数值模拟模型

根据心墙坝特征建立数值模拟模型(Geo-Studio)，模型地基自坝基至不透水层，建立水头变动时间参数来模拟水头变化过程，数值模拟计算模型如图1所示。

图1 数值模拟计算模型

2.2 数值模拟计算工况

为了分析不同水位变动工况(正常蓄水位到死水位，30年一遇洪水位到正常蓄水位，死水位到正常蓄水位，正常蓄水位到30年一遇洪水位)下心墙坝的响应特征，确定库水位变动速率为0.2、0.5、1.0m/d，通过渗流量、浸润线以及上、下游坝坡安全系数来反映心墙坝的响应特征。水位变动时坝体响应数值模拟计算工况见表3。

表3 计算工况

同时为了研究不同防渗墙深度对坝体防渗的影响，确定防渗墙深度为20、30、40m，研究库水位在1556、1565、1575、1576.93m情况下的渗流情况。

2.3 数值模拟计算结果

2.3.1浸润线分布特征

不同库水位的坝体浸润线如图2所示。由图2可知，在库水位恒定的情况下，不同库水位浸润线变化曲线分布规律较为一致，在心墙部位浸润线出现明显的下降，这是由于心墙渗透系数较低，具有较好的防渗阻水效果。同时可以看出下游坝坡范围内浸润线分布较为密集，这表明上游坝坡的浸润线高度比下游坝坡的浸润线浸润线高度对库水位的变动响应更为敏感。

图2 20m防渗墙不同库水位浸润线

不同库水位上升速率坝体浸润线变化情况如图3所示。由图3可知，水位变化时浸润线变化规律与静态水位变化规律明显不同，浸润线突降部位位于心墙上游处，高水位浸润线与低水位浸润线在心墙下游边界处汇集，水位上升过程中，浸润线分布较为密集。

图3 不同水位上升速率的浸润线分布特征

2.3.2防渗墙深度对渗流的影响

不同防渗墙深度对渗流量影响的计算结果如图4所示。由图4中可知，心墙坝渗流量与库水位高程呈正相关关系，与防渗墙深度呈负相关关系；渗流量随着库水位的增高以及防渗墙深度的减小而增大。这表明随着防渗墙深度的增加，其防渗堵水效果越好。

图4 不同深度的防渗墙渗流量

2.4 坝体稳定性计算结果

2.4.1不同库水位的坝体稳定性分析

坝体稳定性是坝体安全性的直接反应，具有重要的研究意义和实际价值。上游坝坡、下游岸坡安全系数与库水位关系见图5。由图5中可知库水位越高，上游坝坡安全系数越低，下游坝坡安全系数越高，3种防渗墙深度，上游坝坡均处于安全，但下游坝坡只在防渗墙深度为40m时处于安全。

图5 不同库水位与上、下游坝坡安全系数关系

2.4.2水位变动对坝体稳定性的分析

水位变动过程中，坝坡安全系数变化过程如图6。由图6中可知，在初始状态下，坝坡安全系数均处于较高水平，在水位变动过程中，坝坡安全系数处于一个动态变化的过程，随着库水位的上升，坝体安全系数逐渐减小，且水位变动速率越大，初期安全系数变化幅度越大，但水位达到最高值并稳定一段时间后，各个工况的安全系数趋于一致；之后随着水位降低，坝坡安全系数逐渐增大，且当到达同一水位高程时，水位下降越慢，坝坡的安全系数越高。这主要是因为，在库水位快速下降过程中，坝坡内部的水并未完全排出，坝坡材料处于饱水状态，强度较低，且库水快速下降降低了水压力对坝坡稳定产生的正向作用。

图6 坝坡安全系数与水位变动速率关系

3 结论

以万营水库心墙坝为例，通过数值模拟对心墙坝库水位变动响应机理进行研究，获得以下主要结论。

(1)在心墙部位浸润线会出现陡降，这表明心墙具备较好的防渗效果。

(2)随着防渗墙深度的增加、库水位的降低，渗流量逐渐减小。

(3)坝坡安全系数与库水位关系密切，库水位越高，坝体安全系数越小，且库水位变动速率越大，安全系数变化越剧烈，因此在蓄水、防洪排水过程中应保证库水位的变化速率以保证坝体的安全。