库水位骤降对均质土坝坝坡稳定的影响分析

第３３毪第４期　人民黄河　Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．４　２０１１年４月　ＹＥ【ＪＬ０Ｗ　ＲＩＶＥＲ　Ａｐｒ．，２０１１　【水利水电工程】　库水位骤降对均质土坝坝坡稳定的影响分析　王冬林　，李宗利　，张洪泉　（１．西北农林科技大学水利－９建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００；２．海委漳卫南运河无棣河务局，山东滨州２５１９１１）　摘要：采用理ｆｉ－分析软件进行非恒定渗流分析计算和边坡稳定分析，研究了不同库水位降落速度、坝体渗透系数和给　水度条件下均质土坝非稳定渗流场的变化规律，分析了上游坝坡的稳定性随着库水位下降及坝体渗流影响因素的变化　规律。结果表明：＂５渗透系数大于０．０４３－　２　ｍ／ｄ时，上游坝坡的滑动安全系数随着库水的下降而趋于稳定，但当渗透系　数小于该值时，滑动安全系数随着库水位的下降而持续下降，说明当坝体的渗透系数特别小时，水位骤降对坝体滑动安　全系数影响较大，并不存在最不利水位。　关键词：土石坝；水位骤降；非稳定渗流；坝坡稳定性　中图分类号：ＴＶ６４１．２　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３７９．２０１１．０４．０６１　坝坡稳定是土石坝设计的重要内容，库水位骤降对土石坝　ｎ为孔隙率　。　上游及其岸坡稳定会产生较大影响　。１９７０年，江西七一水　土坝非稳定渗流的初始条件为　库在引水隧洞施工期因采用岩塞爆破而无法控制库水位的降　ｈ　Ｉ　ｏ＝ｈ０（　，　，０）　（２）　落速度（　＝１．１５　ｍ／ｄ），左、右坝段上游面相继发生滑坡。１９７９　边界条件为　年，湖北省狮子岩土石坝，因发现漏水而决定放空水库，随后上　ｈ　ｆ　Ｆ＝１ｈｌ（　，ｚ，ｔ）　（３）　游坝坡受库水位骤降影响（　＝１．６　ｍ／ｄ）产生滑坡　。当库水　。Ｆ２＝　Ｘ，ｚ￣ｔ）　（４）　位骤降时，坝体表面的水压荷载已卸掉，由于土具有一定的持　水性，坝体内浸澜线高于外坡的水位，因此具有较高的孔隙水　式中：ｈｏ（　，ｚ，０）为初始时刻坝体内各点的水势；，　、厂２为已知　压，同时受指向库内的渗透力作用，从而加速了坝坡的滑动。　水势和流量边界；＾　（　，　，ｔ）为ｔ时刻Ｆ　边界处的水势　，ｚ，　因此，库水位应保持怎样的降落速度，才能保证坝体的稳定安　ｔ）为ｔ时刻厂１边界的流量。　全是一个十分重要的问题。　在分析过程中，坝体内各点初始水势ｈ。（　，　，０）及浸润线　笔者以均质土坝为研究对象，研究库水位从正常蓄水位分　的位置根据正常蓄水位形成的稳定渗流场分析结果确定。坝体　别以４、２、１　ｍ／ｄ和０．１　ｍ／ｄ的速度下降到死水位，不同给水度　下游水位保持不变，上游水位则由库水位的下降速度计算得　和渗透系数条件下，均质土坝非稳定渗流场的变化规律，并应　出，即ｈ　（　，ｚ，ｔ）是时间的函数。对于不透水坝基，认为－厂（　，ｚ，ｔ）　用简化毕肖普法　计算稳定安全系数，分析不同方案下上游坝　恒为０。　坡的稳定性。　将分析区域划分为有限单元网格，建立单元水势插值函　数，应用泛函极值原理或伽辽金法建立非稳定渗流有限元支配　１非稳定渗流稳定计算方法　方程　：　Ｋｈ＋Ｓ　ｏ＿Ａ：Ｆ　ｆ５）　库水位的下降引起坝体内浸润线的不断变化，孔隙水压也　Ｏｔ　不断变化。《碾压式土石坝设计规范》。　。中关于库水位下降时　式中：　为传导矩阵；ＪＩｌ为单元节点水势列阵；　为贮量矩阵；Ｆ　水库岸坡内自由水面的曲线方程，对于坝体并不能直接应用。　为边界条件列阵，包括已知水头和流量边界。　为了与坝坡稳定分析衔接，笔者采用有限元法进行渗流场分　求解式（５）时，时间变量采用差分法离散，由此得　析。考虑土和水的压缩性，认为坝体内渗流符合达西定律，渗　Ｋｈ…＋　一　＝Ｆ　（６）　流控制方程为　鲁（　ｈ）＋杀（　Ｏｈ　，＝　（１）　收稿日期：２０１０—０８一】０　作者简介：王冬林（１９８５一），女，河南焦作人．硕士研究生，研究方向为水工结　式中：ｈ为水势；　、　为空间坐标；ｔ为时间坐标；　，、　，为以　、ｚ轴　构设计理论与数值分析。　为主轴方向的渗透系数；ｓ　为单位贮水系数，对于有自由面渗　通讯作者：李宗利（１９６７一），男，陕西凤翔人，教授，博士，主要从事水工结构与　岩土稳定理论方面的教学与科研工作。　流问题　近似为给水度ｔｚ，　：１．１３７ｎ（０．０００　１１７　５）　，　Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｉｓｈｒａ　９１５８９１＠ｙａｈｏｏ　ｃｏｒｎ　ｃｎ　・１４７・　人民黄河２０１１年第４期　２实例分析　篙　支　～：　２．１　基本资料　坝体各区物理力学参数见表　，大坝断面形式及尺寸见图１。　某均质土坝，坝高为５０　ｍ，顶宽为１０　ｍ，上游坝坡为　表１坝体各区材料物理力学参数　图２（ａ）一（　）为在保持渗透系数为０．０８６　４　ｍ／ｄ不变、不　同下降速度条件下的浸润线。在渗透系数ｋ＝０．０８６　４　ｍ／ｄ，下　降速度分别为４、２、ｌ　ｍ／ｄ和０．１　ｍ／ｄ时，５　ｄ后坝轴线处水位　分别为３４．４２８、３５．６１７、３６．３８５　ｍ和３８．４５０　ＩＴＩ，表现出明显的　滞后效应。表明随着库水位的下降，坝体内浸润线的高度也下　图１大坝模型　降，但是坝体土壤的持水性导致坝体内浸润线的最高点下降速　２．２渗流结果分析　度低于库水的下降速度，表现为浸润线前半段向下弯曲的程度　为了进行上游坝坡的稳定性分析，需要确定库水位下降过　越来越明显，随着库水位下降速度的减缓，向下弯曲的程度　程中各时段坝体浸润线的位置，即进行不稳定渗流计算　］。　减弱。　在渗流计算中，上游库水位从４５　ｍ以不同下降速度下降到　图２（ｄ）～（ｅ）为在保持库水位下降速度为４　ｍ／ｄ时，不同　５　ｍ，下游水位保持在５　ｍ不变。渗透系数从４．３２　ｎｒ／ｄ变化为　渗透系数对应的渗流浸润线。当库水位下降速度为４　ｍ／ｄ，渗　０．００８　６４　ｍ／ｄ，共计６种情况。具有代表性的渗流浸润线见　透系数分别为４．３２、０．８６４、０．０８６４　ｍ／ｄ和０．００８６４　ｍ／ｄ时，５　ｄ　图２。　后坝体浸润线的最高点分别为２０．４３０、２５．５１８、３４．３７９　ｉｎ和　３７．６６１　ｍ，表明坝体内浸润线的下降速度与渗透系数直接相　关，随着渗透系数的减小，浸润线的下降速度减缓。　２．３稳定计算结果　在非稳定渗流计算结果的基础上进行坝坡稳定分析，整个　（ａ）　．０ｍ／ｄ　计算过程采用理正边坡稳定分析软件完成。读入坡线、地层数　据、浸润线、孔隙水压力场数据，实现理正边坡稳定分析与渗流　计算之问的数据共享。依据各方案的计算结果绘制不同因素　对坡体稳定系数的影响曲线，分别对上述渗流场作用下坝体上　游坝坡进行稳定分析　，得到渗透系数、给水度、库水位下降　速度对坡体稳定的影响规律，见图３一图５。　４５ｍ　柑５　剞　帐　图３渗透系数　对稳定性的影响　．　（ｅ）ｋ＝－０．００８６４ｍ／ｄ　由图３　图５可以看出，上游坝坡的滑动安全系数随着库　图２渗流浸润线变化　水位的下降急剧减小，当水位下降到２５　ＩＴＩ（相当于坝高的１／２）　时，滑动安全系数变化趋于平缓，约在坝高的１／３处存在一个　・１４８・　人民黄河安全系数较小的水位。滑动安全系数计算时，随机搜索危险滑　弧造成个别点的波动，但整体分布规律一致。　２０１１年第４期　从而证明毛昶熙…提出的水位下降快慢划分标准是合理的，　即：　＞６０时可认为是缓慢下降，不影响坝坡稳定；而　＜０．１时为骤降，对上游坝坡稳定极为不利。　３结妊　垛　语　库水位骤降时，坝体内浸润线的位置及上游坝坡的滑动安　全系数受库水位下降速度、坝体土的渗透系数和给水度等因素　影响。当渗透系数大于０．０４３　２　ｍ／ｄ时，上游坝坡的滑动安全　系数随着库水位的下降趋于稳定，但当渗透系数小于该值时，　滑动安全系数随着库水位下降而持续下降，表明当坝体的渗透　七ｂ（　！坡外水位／ｍ　系数特别小时，水位骤降对坝体滑动安全系数影响较大，并不　图４库水位下降速度　对稳定性的影响　从图３可以看出，在相同库水位条件下，』　游坝坡的安全　存在一个最不利的库水位。另外，验证了采用　／　作为库水　位降落快慢的指标来判别对坝坡稳定性的影响是合理的。　系数随坝体渗透系数的减小而减小，在渗透系数大于０．０４３　２　ｍ／ｄ情况下，渗透系数的变化对安全系数的影响较小；当渗透　参考文献：　系数小于０．４０３　２，ｎ／ｄ时，滑动安全系数随库水位的下降而持　续下降，表明坝体的渗透系数特别小时，水位骤降对坝体滑动　［１］陈祖煜．土质边坡稳定分析一原理・方法・程序［Ｍ］．北京：中国水利水电　出版社，２００３．　安全系数影响较大，并不存在一个最不利水位。从图４和图５　［２］　汝乃华，牛运光．大坝事故与安全・土石坝［Ｍ］．北京：中国水利水电出版　可以看出，上游坝坡的滑动安全系数随库水位下降速度的减小　社，２００１　而增大，随坝体土的给水度减小而增大。　［３］　黄河水利委员会勘测规划设计研究院．ＳＬ２７４－－２００１碾压式土石坝设计规　范［Ｓ］．北京：中国水利水电出版社，２００２．　［４］毛昶熙．电模拟实验与渗流研究［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８１．　［５］毛昶熙．渗流计算分析与控制　Ｍ］．２版．北京：中国水利水电出版社，２００３．　籁　［６］　张伟民土坝在水库水位下降期的滑坡机理［Ｊ］中国农村水利水电，２００４　剞　（８）：４８—５０．　舷　［７］　许永鑫．非稳定渗流条件下的土坝边坡可靠性分析［Ｊ］．水利科技，２００３　（３　：４８—５０．　［８］　华东水利学院水工设计手册・土石坝［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８４　［９］　肖正华，韩波，马希龄．水位下降对均质土坝边坡稳定性的影响［Ｊ］．新疆大　坝坡外水位，ｍ　学学报，２００４，２１（２）：２１８—２２１　图５给水度对稳定性的影响　［１０］　安民，张世勤，陈国平．库水位升降对某均质土坝坝坡稳定影响分析［Ｊ］．　２．４　／　影响因子对坝体稳定性的影响　中国农村水利水电，２００８（１１）：８７—８９．　如何鉴别骤降与缓降，对坝体的稳定性研究有重要意义。　［１１］时卫民，郑颖人．库水位下降情况下滑坡的稳定性分析［Ｊ］水利学报，　毛昶熙等　’驯把相对比值ｋ／ｔｚｖ作为判别降落快慢的依据。笔　２００４（３）：７６—８０　［１２］　张永生，梁立孚，周健生．水位骤降对土质渠道边坡稳定性影响的弹塑性　者分别改变ｋ４ｚ、　的值以得到不同的　，参数组合，计算相应　有限元分析［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２００４，２５（６）：７３６—７３９．　的稳定安全系数，进行合理性分析，见图６。　［１３］韩文娟．库水位降落时均质土坝非稳定渗流分析［Ｄ］．扬州：扬州大学．　２ｏｏ６．　【责任编辑吕艳梅】　舞　垛　槲　６４　４５　４０　３５　３０　２５　２０　１５　１ｏ　５　ｏ　坝坡外水位／ｍ　图６　伽对稳定性的影响　由图６可以看出：当　＜０．１时，上游坝坡的滑动安全系　数随库水位的下降减小较快；当ｋ／ＩＺ，Ｖ≥５７．６时，高水位时滑动　安全系数随库水位的下降减小较快，但当水位下降到２５　ｍ左　右时，安全系数不再下降，而且随水位的下降反而缓慢增大：在　０．１＜　＜５７．６时，滑动安全系数随水位的变化波动较大。　・１４９・