库水位下降速率对土石坝稳定性分析研究

第４３卷第４期　２０１７年８月　江西水利科技　ＪＩＡＮＧＸＩ　ＨＹＤＲＡＵＵＣ　ＳＣＩＥＮＣＥ　＆Ｖｏ１．４３　Ｎｏ．４　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ａｕｇ．２０１７　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—４７０１．２０１７．４．１１　库水位下降速率对土石坝稳定性分析研究　崔频捷　，周清勇　，陈芳　，　（１．江西省水泰工程检测有限公司，江西南昌３３０００１；２江西省水利科学研究院，江西南昌３３００２９）　摘　要：库水位下降过程中，坝体黏性土对水份的吸力作用使得黏性土体内的水份不能及时消散，造成黏性坝体内水位高　于库内水位，所发生现象对坝坡渗流、稳定与应力均产生较大影响．以大禾田水库为例，基于饱和一非饱和渗流理论，采用　二维有限单元方法，分析库水位下降后的渗流稳定、应力及水压荷载作用下位移变形，分析库水位下降速率对土石坝稳定　性的影响，研究结果对水库调度运行管理有一定的指导作用．　关键词：水位下降；渗流稳定；应力；下降速率；安全系数　中图分类号：０３５７．３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—４７０１（２０１７）０４—０２８１—０４　０　引　言　库水位下降过程中，土石坝坝体内渗流场在短时间　内会发生较大变化，影响着上游坝坡的安全稳定，上游　１饱和一非饱和渗流理论　土石坝长年蓄水过程中，库水位及浸润线以上滑体　处于非饱和状态，库水位及浸润线以下滑体处于饱和状　态，所以有部分潜在的滑动面处于库水位以上。而随着　库水位下降，浸润线也会随之下滑，临界变化处的土体　由饱和变为非饱和状态，非饱和区和饱和区中的土壤水　运动又是相互联系的，将两者统一起来分析研究即为饱　和与非饱和问题。本文将土石坝和地基假定为各向同　性多孔介质，则建立的渗流控制方程为：　坝坡发生最不利情况是长期蓄水后水位骤降所引起的　潜在滑坡。如谢定松…等利用模型试验模拟和有限元　计算分析了库水位快速下降条件下自由水面线变化规　律；贺亚魏【２　等通过对某土石坝在水位不同升降速度　条件下的渗流场进行了数值试验，总结了坝坡最危险滑　动面的安全系数变化规律；王冬林【３　等研究上游坝坡　稳定性随着库水位下降的变化规律；涂国祥等［４　采用　相关方法计算水位下降期间某堆积体危险水位出现位　置；郑颖人等　证明了在库水位下降过程中存在一个　（　）＋　（　，筹）＋Ｑ＝０ｏ　（１）　式中：日为总水头；．ｊ｝　ｋ　分别为　和Ｙ方向的渗透　对坡体稳定最不利的水位。库水位下降速率的大小对　大坝及库岸边坡的稳定有着一定的影响【６　】，合理控制　库水位下降速率是有效避免滑坡发生的有效措施。　影响土石坝渗流稳定的因素包括材料渗透特性、土　体各特性参数和库水位下降等，其中库水位下降的影响　最为常见也最为明显。所以，本文以黏土斜心墙坝为　例，基于饱和一非饱和渗流理论，采用二维有限单元方　法，分析库水位下降后的渗流稳定和库水位下降速率对　大坝的稳定性的影响，研究结果对确保大坝运行安全有　着一定的指导作用。　收稿日期：２０１７—０３—２８　作者简介：崔频捷（１９８６一），男，大学本科，助理工程师　系数；Ｑ为边界上水的流量；　为体积含水率；ｔ为时间。　该方程描述了渗流区单元内某时段流人和流出的总流　量等于体积含水率的变化萤　水头边界条件为：后　Ｏ，Ｆ／１　＝ｈ（ｘ，Ｙ，ｔ）　（２）　流量边界条件为：　ｏｎ　Ｉ，Ｉ　２　＝ｑ（ｘ，，，，ｔ）　（３）　式中：后为渗透系数；ｒｌ为水头边界；ｒ２为流量边　界；　为边界ｒ１或ｒ２的外法线方向；＾　，Ｙ，ｔ）为边界ｒ１　上相应时刻的水头；ｇ（　，Ｙ，ｔ）为边界ｒ２上单宽补给流　量。初始条件为开始时刻渗流场，即常水位下的稳定渗　江西水利科技　２０ｌ７年８月　流，求解方程时，有限元程序采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权残数法　原理　Ｊ　。　以灌溉为主，兼顾养殖等综合效益的小（２）型水库，水　库地理位置比较特殊，影响着下游人口、农田和公路及　本文通过二维有限元瞬态渗流分析库水位下降后　的自由面，采用有效应力法结合Ｍ—Ｐ法分析大坝边坡　稳定性析，采用Ｏｌｄ原位法对大坝进行应力及水压荷载　下位移变形分析。　电讯基础设施。本文以该水库库水位下降为研究对象，　基于饱和一非饱和渗流理论，采用二维有限元方法分析　在库水位下降中渗流稳定、应力及水压荷载下位移变　形¨¨，分析库水位下降速率影响下的大坝稳定性。　２．２库水位下降后渗流稳定　在库水位下降过程中，库水位下降会造成坡外水位　低于坡体内水位，形成坡内指向坡外的渗流场，浸润线　２库水位下降过程分析　２．１工程概况　大禾田水库位于江西省莲花县琴亭镇杨枧村，正常　蓄水位１８１．２３　ｍ（黄海高程，下同），死水位１７７．７６　ｍ，　设计洪水位１８１．８２　ｍ，校核洪水位１８２．００　ｍ，总库容　大坝为均质土坝坝体，溢洪道为开敞式　结构，堰顶高程为１８１．２３　ｍ，输水涵管位于大坝左端坝　，变化范围内，非饱和区范围变大，基质吸力增大，土体有　效应力发生相应变化。　选取大禾田水库库水位由常水位１８１．２３　ｍ降落至　死水位１７７．７６　ｍ作为瞬态非饱和计算条件，库水位下降　主要靠输水涵管进行，以平均过流流量计算，分析库水位　下降过程后的渗流浸润线、稳定安全系数、应力分布、水　压荷载下位移变形情况等，计算结果如图１一图４所示，　库水位下降后的孔隙水压力如图５所示。　ｌＳ．８０×１Ｏ‘ｍ。体内，为平涵结构，进口底高程为１７７．７６　ｍ，最大过流　能力为４．３５ｍ　／ｓ，平均过流能力为２．３５　ｍ　／ｓ，是一座　图１　库水位下降后的渗流计算图　图２库水位下降后抗滑稳定计算图　图３库水位下降后应力分布图　图４水压荷载作用下位移变形图　从图１一图５分析可知：①随着库水位的下降，坝　体内浸润线高度随之下降，但其下降速度远低于库水位　的下降速度；②库水位下降后的稳定安全系数为１．５１４　大于规范允许值（１．２５）；③相比于稳定期的有效应力　分布，库水位下降后的有效应力呈现下降趋势；④水压　荷载作用的位移变形，主要集中在斜心墙上。⑤孔隙水　图５库水位下降后孔隙水压力分布图　压力的变化受库水位下降的影响比较大，与库水位变化　具有同步性。结果表明：在库水位下降过程中，大坝属　第４３卷第４期　崔频捷等库水位下降速率对土石坝稳定性分析研究　２８３　∞　∞∞∞％∞嵋∞　∞∞∞晒∞饥　安全稳定运行状态。　润线的变化所影响坝坡稳定性变化，计算库水位下降速　２．３下降遮ｌＩ｜对比分析　率对上游坝坡的安全系数的影响如图６所示。通过计　本文分析多种下降速率情况下的大坝稳定性，选取　算多种下降速率，寻找到最危险情况即在特殊工况下　由常水位１８１．２３　ｍ降落至死水位１７７．７６　ｍ作为计算　（即流量为８．１５　ｍ　／ｓ）安全系数变化，虽然在特殊工况　工况，采用坝下涵管最大过流流量（４．３５　ｍ　／ｓ）、平均过　下过流流量发生的可能性不大，但作为判别分析坝坡稳　流流量（２．３５　ｍ　／ｓ）和外加常规抽水泵辅助过流量　（３．３５　ｍ　／ｓ）等３种情况分析，基于饱和一非饱和渗流　理论，采用二维有限单元方法，通过分析下降过程中浸　定有着一定的参考作用，图７为特殊工况下上游坝坡安　全系数变化图。　■嶙剞懈　啪ｍ啪ｍ　ｍ　ｍ啪ｍ啪们啪善０．５　１．Ｏ　１．５　２．Ｏ　２．５　３．０　３．５‘．０　４．５　５．０　５．６　６．０　ａ．５　时帅／目　图６上游坝坡安全系数变化图　由图６和图７可知：①随着时间的增加，上游坝坡　稳定系数总体上先减小，当达到一定水位后即稳定系数　最小后（为降至死水位时），稳定安全系数逐渐回升趋　于稳定；②随着库水位下降速率的变化，即流量２．３５　ｍ’／ｓ＿＋流量３．３５　ｍ　／ｓ＿＋流量４．３５　ｍ　／ｓ，流量越大安全　系数越小，且坝坡最小安全系数出现的时间越早；③当　库水位下降速率为特殊工况时（即流量为８．１５　ｍ。／ｓ），　最小安全系数计算值为１．２５，达到土石坝稳定安全系　数规范允许值（１．２５），上游坝坡可能失稳。所以，合理　控制水位下降速率可以预防土石坝坝坡失稳，对水库和　库岸失稳破坏防治有一定的指导意义。　３结论　本文以大禾田水库工程为例，分析了库水位下降过　程后的渗流稳定、应力及水压荷载下位移变形及库水位　下降速率对大坝稳定性的影响。主要结论如下：　（１）库水位下降过程中，上游坝坡稳定安全系数随　着水位下降而减小，存在着一个最小安全系数，当达到　一定水位后，稳定安全系数逐渐回升趋于稳定；　（２）水压荷载作用的位移变形，主要集中在斜心墙　．　‘≮　ｌｕ　鳖　Ｉ　Ｌ　兰啪垂耄啪　‘：．．　一　图７特殊工况下上游坝坡安全系数变化图　上；　Ｏ（３）库水位下降随时间变化较为明显，下降速率越　时　快，越容易降低土石坝坝坡稳定性；‘　　（４）当库水位下降速率为特殊工况流量８．１５　ｍ　／ｓ　时，最小安全系数达到规范允许值，上游坝坡可能失稳。　所以，合理控制水位下降速率可预防土石坝坝坡失稳，　对土石坝水库调度运行管理有一定的指导作用。　参考文献：　．：　［１］谢定松等．库水位快速变动条件下心墙坝上游坝壳自由水面线变化　规律研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０１２（０９）：１５６８—１５７３．　［２］贺亚魏，盂军省，刘鸳梅．水位升降对粘土心墙土石坝渗流稳定性分　析［Ｊ］．武汉大学学报（工学版），０２ｏ８（ｏ５）：９２—９６．　［３］王冬林，李宗利．张洪泉．库水位骤降对均质土坝坝坡稳定的影响分　析［Ｊ］．人民黄河。２０１ｌ（０４）：１４７—１４９．　［４］涂国祥，邓辉，黄润秋．水位变动速度对某库区岸坡堆积体稳定性的　影响［Ｊ］．四川大学学报（工程科学版），２０１ｌ（０４）：６３—７０．　［５］郑颖人。时卫民，孔位学．库水位下降时渗透力及地下水浸润线的计　算［Ｊ］．岩石力学与工程学报。０２０４（１８）：３２０３—３２１０．　［６］廖红建等，渗透系数与库水位变化对边坡稳定性的影响［Ｊ］．西安交　通大学学报。０２ｏ６（ｏ１）：８８—９２．　［７］黄润秋，戚国庆．非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响［Ｊ］．工　程地质学报，２００２（０４）：３４３—３４８．　江西水利科技　［８］张文杰，陈云敏，凌道盛．库岸边坡渗流及稳定性分析［Ｊ］．水利学　报，２ＯＯ５（１２）：１５１０—１５１６．　译・北京：中国建筑工　版社，１９９７・　２０１７年８月　［１１］欧阳君等．基－］￣＇ＡＢＡＱＵＳ的土石坝稳定渗流期应力应变分析［Ｊ］．　［９】事昶熙。段祥宝，李祖贻．　流数值计算与程序应用［Ｍ］．南京：河海　大学出版社，１９９９．　一‘　［１０】Ｆｔｅｄｈｎｄ　Ｄｅｌｗｙｎ　Ｇ。Ｒａｈａ　ｏ　Ｈａｒｉａｎｔｏ．非饱和土力学［Ｍ］．陈仲颐，　水资源与水工辔挚报。２０１２（０２）：１０４　ｌ０８．　编辑：张绍付　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｔｏ　ｅａｒｔｈ——ｒｏｃｋ　ｄａｍｓ　ＣＵＩ　Ｐｉｎｊｉｅ　，ＺＨＯＵ　Ｑｉｎｇｙｏｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｆａｎｇ　（１．Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｓｈｕｉｔａｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏ．ＬＴＤ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３０００１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００２９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｄｅｃｌｉｎｉｎｇ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｏｎ　ｗａｔｅｒ　ｍｏｉｓｔｕｒｅｔｈｅ　．ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｅ　ｉｎ　ｔｉｍｅ．ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｉｎ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍ　ｂｏｄｙ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｗａｓ　ｈｉ＃ｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ，ｔｈｉｓ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｈａｄ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｓｅｅｐａｇｅ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｄａｍ　ｓｌｏｐｅＴａｋｉｎｇ　Ｄａｈｅ　Ｔｉｎ　．ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｔｈｅｏｒｙ，ａ　ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ，ｈｅ　ｓｔｅｅｐａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ，ｄｒａｗｄｏｗｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｗｅｒｅ　ａｎａ．　１ｙｚｅｄ，ｈｅ　ｒｔｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｌａｙ　ａ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓＫｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｄｒｏｐ；Ｓｅｅｐａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；Ｓｔｒｅｓｓ；Ｄｅｓｃｅｎｔ　ｒａｔｅ；Ｓａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　．　翻译：郭庆冰　（上接第２７５页）　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｑｕｅｄｕｃｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｋｅｚｉ　ｒｉｖｅｒ　ＰＡＮ　Ｃｈｏｎｇｒｅｎ　（Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００００，Ｃｈｉｎａ）　，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｈｙｄｒａｔｉｏｎ　ｈｅａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ｈａｖｅ　ｄｉｓａｐｐｅａｒｅｄ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｒｅ　ｉｕｎ　ａ　ｍｏｒｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｓｔａｔｅ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｗｉｌｌ　ｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ａｑｕｅｄｕｃｔ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｈａｎｇｅｓａｔ　ｔｈｅ　ｓａｎｌｅ　，ｔｉｍｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｕｎｓｈｉｎｅ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｓｕｄｄｅｎ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｈａｎｇｅ．Ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｒｔｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｋｅｚｉ　ｆｉｖｅｒ　ａｑｕｅｄｕｃｔ　ｂｙ　３Ｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｗａｒｅ，ａｑｕｅｄｕｃｔｔ　ｐｅｒｉｏｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｒｅｓｓｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｒａｃｋ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｑｕｅｄｕｃｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｑｕｅｄｕｃｔ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅ　ｒｉｖｅｒ　ｏｆ　Ｋｅｚｉ；Ａｑｕｅｄｕｃｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ；Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　翻译：潘崇仁