库水位骤降下非均质土坝迎水坡稳定性分析

摘 要: 利用非饱和及非稳定渗流理论,以某非均质土坝为研究对象,在考虑坝体材料渗透性非均质条件下,设计了坝体下部粉质粘土厚度不同的三种算例,研究在2m/d的库水位下降条件下,坝体下部透水性稍强的粉质粘土层厚度对渗流场的影响,并在此基础上考虑了渗流场变化对坝体边坡稳定性的影响,为水库调水管理及治理措施提供参考。

关键词: 土坝 渗流场 稳定性

中图分类号: P62 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-040-01

1 概况

某水库是一座以农业生产灌溉为主、兼顾防洪、水产养殖等综合利用的小(一)型水库。该水库竣工运行后,于1997年溢洪道西八字墙垮塌,引起大坝溃口,导致库水位快速下降,沿迎水坡发生大大小小脱坡、跨方十余处。在该大坝钻探取样发现该土坝坝体并非均质,坝体材料分为上层粘土,下层粉质粘土,两者渗透性有差异,下层渗透性比上层稍强。所以研究库水位快速下降条件下,坝体下部粉质粘土层厚度对迎水坡稳定性影响有重要意义。

本文以该非均质土坝为研究对象,利用非饱和及非稳定渗流理论,建立渗流计算的数学模型。利用非饱和非稳定渗流理论,计算在2m/d的水位下降条件下,坝体下部渗透性稍强粉质粘土厚度对渗流场的影响,并在此基础上考虑了渗流场变化对坝体迎水坡稳定性的影响,为水库调水管理及治理措施提供参考。

2 二维饱和-非饱和渗流控制方程

非饱和土中的水流受到与饱和土中相同的定律控制(即Darcy定律),其主要区别是对饱和土假定渗透系数为常数,而对于非饱和土则需设为基质吸力、含水量或某些其他变量的函数。将达西(Darcy)定律和水的质量守恒定律结合起来便可导出描述土中水分运动的基本方程。

3 工程算例计算分析

3.1 物理模型和计算参数

某土坝,坝高15.0m,顶宽5.0m,,上游坝坡为1:2.0,下游坝坡为1:2.0,均质坝坝体材料分为上下两层,上层为粘土,饱和渗透系数3.4×10-6m/s,孔隙率为0.46;下层为渗透性稍强粉质粘土,饱和渗透系数1.0×10-5m/s,孔隙率为0.40。

假定上下两层粘聚力和内摩擦角均为20kpa、15°,所以文中仅考虑渗透性的差异性对坝体迎水坡渗透场的影响。

3.2 算例分析

为了定量分析上述水库使用过程中今后可能出现的水位下降对坝坡稳定性的影响,为水库安全运行科学管理制度及防治措施提供参考依据,特设计了在2m/d的水位下降条件下三个坝体横截面概化模型的算例。

表1 设计计算模型

4 计算结果及分析

4.1浸润线变化情况

计算模型及边界条件:选取坝体下部粉质粘土层厚度不同的三种算例,上游库水位从49m以2m/d的速度下降到41m,下游水位保持在37m。

大坝底部按不透水边界处理,初始渗流场为大坝上游水位保持在49m的非饱和渗流计算结果, 5d之内坝体内部浸润线呈上凸形,说明以2m/d的速度下降初期把体内会形成超孔隙水压力,坝体内水分来不及排出,容易形成“倒流”。坝体下部渗透性稍强的粉质粘土的厚度对坝体渗流场影响较大,图中可看出坝体下部土层厚度越大,浸润线上半段的下弯程度越缓,下半段的下弯程度亦越缓。这是由于孔隙水压力消散的时间与坝坝底粉质粘土层厚度有很大的关系,若该层厚度大,则需要较短时间孔隙水压力便能消散,浸润线下降的速度会更快,“倒流”现象持续的时间会更短。

4.2非稳定渗流下坝坡迎水坡稳定性分析

在上述非稳定渗流计算结果基础上,分析了三个模型的坝坡稳定性。整个计算过程在GEO-STUDIO2004下完成。库水位在49.0m初始库水位下以2m/d下降时,坝体迎水坡最危险滑弧半径及滑面截面面积开始先增大,直至降到41.0m稳定水位后,逐渐趋于稳定值。与此同时,迎水坡的稳定系数先急剧降低、后逐渐增大。坝体下部粉质粘土的厚度对坝体迎水坡稳定性影响较大,特别在库水位下降第4天,差异最明显。

5 结论与建议

(1)库水位以2m/d下降时,各个算例中坝体下部透水性稍强的粉质粘土层厚度越大,越有利于坝体迎水坡内孔隙水压力消散,浸润线下降的速度会更快,“倒流”现象持续的时间会更短。

(2)库水位以2m/d下降时,迎水坡最危险滑面稳定系数先降低、后增大。

(3)库水位下降第3、4时滑弧半径较大,最危险滑面截面积较大,稳定系数最小,此时土坝迎水坡最易发生滑动,且危害最大。

参考文献:

[1]Fredlund D G, Rahardjo H. 非饱和土土力学,陈仲颐等译[M].北京:中国建筑工业出版,1997.

[2] 安民.库水位升降对某均质土坝坝坡稳定影响分析[J].武汉:中国农村水利水电,2008.

[3] 白永年,吴士宁,王洪恩.土石坝加固[M].北京:水利水电出 版社,1992.