水位骤降下土石坝的渗流和结构稳定分析

水位骤降下土石坝的渗流和结构稳定分析

吕 利1,谭 彩2

【摘 要】[摘 要] 基于Fredlund & Xing非饱和渗流模型和Morgenstern-Price极限平衡理论，对水位骤降下土石坝的渗流和结构稳定进行分析。结果表明，库水位骤降时坝体内浸润线未与坝前水位同时降落，坝体浸润线从上游至下游表现为先升高再降低，迎水坡安全系数明显降低而背水坡基本不变。 【期刊名称】水利科技与经济 【年(卷),期】2019(025)002 【总页数】6

【关键词】[关键词] 水位骤降；土石坝；渗流；稳定 [基金项目] 广东省水利科技创新资助项目(2014-09)

1 概 述

我国目前大坝总数高达8万余座，其中绝大部分为上世纪中叶修建的中小型土石坝[1]，土石坝的安全问题一直是人们的关注重点。坝前水位骤降是土石坝失稳的主要原因之一[2-4]，因此开展水位骤降对土石坝的渗流和稳定影响研究是十分必要的。

目前，国内外学者对水位骤降下的土石坝进行了大量研究。Cho[5]对堤防渗流进行了分析，分析基于概率方法，考虑了层状土中渗透系数的不确定性和空间变异性。徐惠民等[6]研究了水位骤降对土石坝抗震稳定性的影响。罗骞等[7]分析了水位骤降时堆积体边坡的稳定性。刘新喜等[8]基于不平衡推力法，采用有限元分析三峡水库库水位骤降时的滑坡稳定性。贾苍琴等[9]引入非饱和非稳定理论，对水位骤降引起的非稳定渗流进行了分析。罗春等[10]基于Van

Genuchten非饱和渗流模型，分析了库水位骤降下土石坝的渗流稳定。 本文基于Fredlund & Xing非饱和渗流模型和Morgenstern-Price极限平衡理论，采用有限元对某均质土石坝的渗流和结构稳定进行计算，分析水位骤降对土石坝结构稳定的影响。

2 计算方法

2.1 渗流理论

渗流有限元分析基本方程为： (1)

式中：[K]为透水系数矩阵；{H}为总水头向量；M为单元储水量矩阵；{Q}为流量向量；t为时间。

非饱和渗流模型采用Fredlund & Xing模型[11]，其表达式为： (2) 其中： (3)

式中：a、b和c均为拟合参数；ψ为基质吸力；ψr为残余含水量θr所对应的基质吸力；θ为体积含水量；θs为饱和体积含水量。 2.2 稳定分析

1965年，Morgenstern和Price共同提出一种土坡稳定分析方法——Morgenstern-Price法[12]。该方法假定竖向和横向作用力关系为y=λf(x)x，其中λ为土条间作用力变化系数，f(x)为土条间横向与纵向作用力的关系函数。通过力或弯矩平衡，可进行边坡安全性系数迭代计算。 弯矩平衡关系式为：

(4)

水平力平衡关系式为： (5) 其中： (6)

式中：c和φ分别为土体黏聚力和内摩擦角；ΔL为滑动面上的各土条长度；LW为各土条形心到滑动面圆心力臂长；LN为各土条在滑动面处的中点到对应法线间的距离；α为各土条切线与水平面的夹角；R为对圆心取矩力臂长度；N为土条的法向作用力(含孔隙水压力)。

3 数值计算与分析

3.1 工程概况

某水库于1964年5月动工，1965年12月建成，水库集雨面积16.4 km2，主流河长7.5 km，正常库容598×104 m3，总库容1 083×104 m3，是一座以防洪为主，结合灌溉、养殖等综合利用的中型年调节水库。主要建筑物由1座主坝、3座副坝、1座溢洪道和2道输水涵管组成，工程等别为Ⅲ等，永久性主要建筑物级别3级。水库大坝设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇。

主坝为碾压均质土坝，主坝坝顶高程(珠基高程，下同)36.00 m，防浪墙顶高程36.83 m，最大坝高17.0 m，坝顶宽6.0 m，坝顶长320.0 m，混凝土路面。迎水坡采用干砌石护坡，护坡坡比1∶2.38。背水坡为草皮护坡，分两级，坡比分别为1∶2.5和1∶2.75。 3.2 计算模型与参数