嚴(yán)雷光

（寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 寧波 315100）

0 引言

土石壩有著經(jīng)濟(jì)效益好、抗震性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn),因此,在工程中普遍使用土石壩這種壩型。但在大壩建造使用的工程中還存在許多的問題如滲流、失穩(wěn)等,這些問題是造成大壩事故的原因。對(duì)此研究者們做了相應(yīng)的研究分析。陳祖煜［1］以土質(zhì)邊坡作為研究對(duì)象,從邊坡的原理,方法和程序這三個(gè)方面入手著重分析了土質(zhì)邊坡的邊坡穩(wěn)定性；程鯤、王黨在等人［2］提出了將復(fù)合土工膜作為防滲材料加入土石壩中并使用數(shù)值模擬的方法對(duì)大壩進(jìn)行了滲流分析；程學(xué)磊、崔春義等人［3］首次介紹了COMSOL Multiphysics軟件在巖土工程中的應(yīng)用并給出了詳細(xì)的巖土工程算例；丁參軍、張林洪等人［4］基于國(guó)內(nèi)邊坡穩(wěn)定性分析的研究現(xiàn)狀詳細(xì)闡述了各種研究方法的基本原理和基本特點(diǎn)以及各種方法的適用范圍,并且針對(duì)性的提出了邊坡穩(wěn)定性方法的研究趨勢(shì)；高驥、雷光耀等人［5］采用數(shù)值模擬的研究方式建立了飽和-非飽和滲流壩體的計(jì)算模型研究分析了堤壩飽和-非飽和狀態(tài)下的壩體穩(wěn)定性；黃春娥、龔曉南等人［6］提出了一種新的方法計(jì)算滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性并將其結(jié)果與常用的方法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證；連鎮(zhèn)營(yíng)、韓國(guó)城等人［7］全面研究了強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性求解中的應(yīng)用,得出了該方法具有良好的應(yīng)用前景這一結(jié)論；在此基礎(chǔ)上,李廣波等人［8］詳細(xì)探討分析了使用應(yīng)力分析、強(qiáng)度折減兩類不同的邊坡穩(wěn)定性求解方法的相關(guān)細(xì)節(jié)并就計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了算例對(duì)比分析。

綜合上述研究,本文基于某實(shí)例工程使用COMSOL Multiphysics就鋪設(shè)土工膜后不同蓄水位時(shí)期的壩體滲流和穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并使用常用的理正軟件進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

本研究選取咸陽市某水庫(kù)大壩工程作為研究對(duì)象。根據(jù)該實(shí)例大壩工程水文地質(zhì)資料可得知該土石壩壩基和壩體填土分別為砂巖和砂礫巖,其計(jì)算參數(shù)見表1。本工程正常庫(kù)水位為920.3 m,死水位為890.0 m,通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)需要27.5天可排放完所有水量。

表1 土石壩計(jì)算參數(shù)

1.2 上游壩坡處理

由于上游壩體坡面存在滑坡的危險(xiǎn),達(dá)不到滲透穩(wěn)定的要求,因此本文對(duì)上游壩壩坡進(jìn)行了土工膜鋪設(shè)處理,已達(dá)到防滲效果。根據(jù)當(dāng)?shù)靥峁┑耐凉つひ?guī)格和規(guī)范處理要求本研究選取了300/0.6/300 的土工膜,其滲透系數(shù)為1.2×10-11cm/s。在建模過程中為了建模分析方便,將符合土工膜滲透系數(shù)等效為1.2×10-7cm/s,土工膜厚度取為6 m。圖1為土工膜等效后的大壩斷面示意圖。此處應(yīng)當(dāng)注意的是,土工膜對(duì)大壩的強(qiáng)度是沒有影響的,僅僅有防滲作用,即降低壩體內(nèi)部的滲透水壓力使得壩體的安全性得到提高。在后續(xù)的穩(wěn)定分析工程中無需考慮土工膜的作用,僅需要將滲流分析結(jié)果導(dǎo)入軟件后進(jìn)行穩(wěn)定分析。

圖1 土工膜等效后的大壩斷面示意圖

2 模型介紹

本節(jié)利用COMSOL Multiphysics 有限元分析軟件依據(jù)上述大壩資料建立了圖2所示模型。為使得計(jì)算分析結(jié)果更加準(zhǔn)確,在對(duì)該二維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要注意網(wǎng)格類型選擇為標(biāo)準(zhǔn)大小的的用戶控制網(wǎng)格,圖3為劃分網(wǎng)格之后的壩體模型圖。

圖2 軟件中建立的幾何模型示意圖

圖3 壩體模型網(wǎng)格劃分圖

3 結(jié)果分析

3.1 滲流分析

圖4和圖5分別為大壩正常蓄水位穩(wěn)定期滲流浸潤(rùn)線和大壩庫(kù)水位降落期滲流浸潤(rùn)線圖。由圖可知,兩種工況下計(jì)算得到的浸潤(rùn)線位置均比較低,考慮到這是在上游鋪設(shè)土工膜作用造成的。根據(jù)西北水力報(bào)告規(guī)定的允許比降［Jp］=0.53,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)在正常蓄水位時(shí),滲透最大位置在槽底部且最大滲透比降為2.23,壩體內(nèi)部的最大滲透比降為0.25,是在允許范圍內(nèi)的。因此不難得出該土石壩滲透性良好,不會(huì)發(fā)生破壞。當(dāng)大壩的水位為庫(kù)水位降落期時(shí),大壩上游的最大滲透比降為0.02,同樣滿足規(guī)定的要求。因此,在此種水位下土石壩的滲透性良好,不會(huì)發(fā)生破壞。

圖4 大壩正常蓄水位時(shí)滲流浸潤(rùn)線

圖5 大壩庫(kù)水位降落期滲流浸潤(rùn)線（t=27.5 d）

3.2 穩(wěn)定分析

本節(jié)為進(jìn)一步對(duì)大壩穩(wěn)定性進(jìn)行分析,對(duì)比研究了滲流穩(wěn)定期、非滲流穩(wěn)定期、施工期（竣工期三種不同工況下的最小安全系數(shù)。在各工況下壩體的穩(wěn)定性對(duì)比結(jié)果見表2,由表2可知,大壩下游的最小安全系數(shù)均小于大壩上游的最小安全系數(shù)。

表2 大壩穩(wěn)定性對(duì)比分

3.3 對(duì)比分析

由上述滲流和穩(wěn)定性分析可知,在上游壩進(jìn)行土工膜鋪設(shè)這一措施后使得大壩在正常蓄水位的浸潤(rùn)線位置下降,在庫(kù)水位降落期浸潤(rùn)線位置同樣下降但相比于正常蓄水位變動(dòng)很小。因此,庫(kù)水水位的降落對(duì)上游壩坡的穩(wěn)定性基本上是沒有影響的。此外,為了更進(jìn)一步分析土工膜對(duì)大壩滲透穩(wěn)定性的作用,本節(jié)詳細(xì)分析在庫(kù)水水位降落過程中的壩體變化特征。圖6~圖8為（t=27.5）庫(kù)水水位降落至死水位這一驟降過程中使用不同求解方法計(jì)算得到的下游壩體滑弧變化圖。

（1）工況一

圖6為采用總應(yīng)力強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的下游壩體滑弧示意圖。通過計(jì)算可以得到大壩的最小安全系數(shù),其值為1.4,是符合規(guī)范要求。

圖6 總應(yīng)力法求解下游滑弧示意圖

（2）工況二

圖7為采用有效應(yīng)力強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的壩體滑弧位置圖,且通過計(jì)算可以得到大壩的最小安全系數(shù),其值為1.53,同樣符合規(guī)范要求。

圖7 有效應(yīng)力法求解下游滑弧示意圖

（3）工況二

圖8為采用總應(yīng)力與有效應(yīng)力的小值組合強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的壩體滑弧位置示意圖。并且通過軟件計(jì)算得到該方法的最小安全系數(shù)為1.28,符合規(guī)范要求。

圖8 小值組合法求解下游滑弧示意圖

綜上所述,三種不同計(jì)算方式的滑弧位置基本相同,且三種工況下的最小安全系數(shù)均比規(guī)范值要大,滿足規(guī)范要求。因此可以推斷在庫(kù)水水位在正常蓄水位和庫(kù)水水位驟降至死水位等情況下大壩的穩(wěn)定性良好,即大壩是安全穩(wěn)定的。

4 工程常用理正軟件分析

4.1 滲流分析

（1）計(jì)算模型

為了進(jìn)一步分析大壩滲流穩(wěn)定性,本節(jié)使用工程中經(jīng)常用到的理正軟件對(duì)該大壩進(jìn)行建模分析,根據(jù)上述大壩相關(guān)情況建立了圖9所示的大壩幾何模型。

圖9 理正軟件幾何模型

（2）結(jié)果分析

通過計(jì)算得到了正常蓄水位穩(wěn)定滲流時(shí)期和庫(kù)水水位降落非穩(wěn)定滲流時(shí)期的浸潤(rùn)線圖,見圖10和圖11。由圖可知,兩種工況下的浸潤(rùn)線位置均有所降低,考慮到這是鋪設(shè)土工膜造成的,這一現(xiàn)象與上述COMSOL Multiphysics軟件模擬結(jié)果一致。并且,在正常蓄水位時(shí),壩體的下游最大滲透比降為0.05,這一數(shù)值小于上述3.1節(jié)給出的標(biāo)準(zhǔn)值,因此,在下游正常蓄水位穩(wěn)定滲流時(shí)期是不會(huì)發(fā)生滲透破壞的。當(dāng)庫(kù)水水位驟降到死水位時(shí),即在庫(kù)水水位降落期間各時(shí)段上游壩坡的最大滲透比降為0.02。這一數(shù)值小于規(guī)范值,因此壩體滲透比降滿足要求,大壩不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

圖10 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期浸潤(rùn)線圖

圖11 庫(kù)水位降落期非穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線圖

4.2 穩(wěn)定分析

（1） 計(jì)算模型

在進(jìn)行滲透計(jì)算后將其滲透結(jié)果直接導(dǎo)入AutoBank 軟件可以進(jìn)行壩體的穩(wěn)定性計(jì)算。圖12和圖13分別為滲流穩(wěn)定時(shí)期和庫(kù)水水位降落期間的穩(wěn)定性計(jì)算模型。由圖可知,水位驟降后浸潤(rùn)線明顯下降,這與上述現(xiàn)象一致。

圖12 穩(wěn)定滲流期穩(wěn)定性計(jì)算模型

圖13 水位降落期穩(wěn)定性計(jì)算模型

（2）計(jì)算結(jié)果

表4中給出了大壩穩(wěn)定性計(jì)算的三種不同工況計(jì)算結(jié)果。由表4可知,由于上游壩坡鋪設(shè)的復(fù)合式土工膜增大了壩體的滲透性使得各工況下的最小安全系數(shù)均大于下游壩坡的值。并且在各工況下的最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,即大于規(guī)范值。不難得出該土石壩穩(wěn)定性良好這一結(jié)論。此外,本節(jié)還詳細(xì)給出了正常蓄水位、庫(kù)水水位驟降（死水位）、施工期等三種不同工況下的壩體上游和下游滑弧位置示意圖,見圖14~圖23。通過上述圖表可以發(fā)現(xiàn)在正常蓄水位、庫(kù)水水位降落期、施工期三種不同工況下的大壩壩坡的穩(wěn)定性良好。

表3 大壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表4 計(jì)算程序驗(yàn)算對(duì)比表

圖14 正常蓄水位下游滑弧位置

圖15 正常蓄水位上游滑弧位置

圖16 有效應(yīng)力法下死水位上游滑弧位置

圖17 有效應(yīng)力法下死水位下游滑弧位置

圖18 總應(yīng)力法下死水位上游滑弧位置

圖19 總應(yīng)力法下死水位下游滑弧位置

圖20 小值組合法下死水位上游滑弧位置

圖21 小值組合法下死水位下游滑弧位置

圖22 施工期上游滑弧位置

圖23 施工期下游滑弧位置

5 結(jié)論

本研究通過數(shù)值模擬的方法分析了某實(shí)例大壩在通過將上游壩鋪設(shè)復(fù)合式土工膜之后的滲流穩(wěn)定性變化,詳細(xì)分析了該壩體的滲流和穩(wěn)定性安全,并通過常用的工程軟件理正進(jìn)行了結(jié)果驗(yàn)證。本文主要得到了以下幾條結(jié)論：

（1）上游壩坡鋪設(shè)復(fù)合式土工膜后,正常蓄水位、庫(kù)水位降落期的滲流浸潤(rùn)線位置均有所降低；其中正常蓄水位浸潤(rùn)線位置降低更加明顯；且土石壩在庫(kù)水位降落時(shí)期、正常蓄水位時(shí)期的最大滲透比降均小于規(guī)定值,大壩不會(huì)發(fā)生滲透破壞；

（2）總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法、小值組合法計(jì)算得到的正常蓄水位、死水位等不同的工況下土石壩的最小安全系數(shù)均符合規(guī)范要求,壩體的穩(wěn)定性均滿足要求,不會(huì)發(fā)生滑坡危險(xiǎn)；

（3）通過工程常用的理正軟件計(jì)算得到的壩體滲流和穩(wěn)定性結(jié)果與COMSOL Multiphysics 有限元分析軟件得到的結(jié)論完全一致,因此進(jìn)一步證明了本文的正確性。