均质坝排水失效坝体自由面变化及坝坡稳定分析.pdf

西北水 电 2 0 1 1 年 -第6期 文章编号： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 O 0 7 2 0 3 均质坝排水失效坝体 自由面变化及 坝坡稳定分析 刘 钊 ， 陈兴周 ， 冯 璐 ( 1 西安理工大学， 西安7 1 0 0 4 8 ； 2 中国水电顾问集团西北勘测设计研 究院， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 为了研究均质坝下游排水褥垫失效情况下坝体自由面变化及其对下游坝坡稳定性的影响， 通过有限元法对 计算区域渗流场进行分析 ， 得出的自由面和孔隙水压力等结果应用于下游坝坡的稳定性分析。实例分析结果表明： 均质坝渗流场的分布由其下游排水条件决定； 排水褥垫失效， 坝体渗流自由面上升， 饱和区范围增大， 下游坝坡安全 系数降低。 关键词： 均质坝； 排水失效； 渗流场； 坝坡稳定性； 极限平衡法 中图分类号： T V 6 4 1 文献标识码： A An a l y s i s o f da m f r e e s u r f a c e c h a ng e a nd s l o p e s t a bi l i t y f o r d r a i n a g e -f a i l ur e h o mog e n e o u s d a m LI U Z ha o ，CHEN Xi n g z h o u ，F ENG L u ( 1 X i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， X i a n 7 1 0 0 4 8 ，C h i n a ； 2 H y d r o e h i n a X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C H E C C， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s e e p a g e fi e l d i n c a l c u l a t i o n z o n e i s a n aly z e d b y fi n i t e e l e me n t me t h o d t o s t u d y t h e d a m f r e e s u r f a c e c h a n g e an d i t s i n fl u e n c e o n t h e s t a b i l i t y o f t h e d o wn s t r e a m d a m s l o p e i n c a s e o f d o wn s t r e a m d r a i n a g e ma t t r e s s f a i l u r e T h e o b t a i n e d r e s u l t s o f f r e e s u r f a c e a n d p o r e w a t e r p r e s s u r e a r e a p p l i e d o n t h e s t ab i l i t y a n aly s i s o f d o wn s t r e a m d a m s l o p e b y t h e me t h o d o f l i m i t e q u i l i b ri u mT h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d i s t rib u t i o n o f s e e p a g e fi e l d o f h o mo g e n e o u s d a m d e p e n d s o n t h e d o w n s t r e a m d r a i n a g e c o n d i t i o n s ，i f t h e d r a i n a g e ma t t r e s s f a i l u r e s ，t h e s e e p a g e f r e e s u rfa c e o f d a m r i s e s ，t h e s c o p e o f s a t u r a t i o n a r e a i n c r e a s e s a n d t h e s a f e t y c o e ffi c i e n t o f d o wn s t r e a m d a m s l o p e d e c r e a s e s Ke y wo r d s ：h o mo g e n e o u s d a m ；d r a i n a g e f a i l u r e ；s e e p a g e fi e l d ；d a m s l o p e s t a b i l i t y ；l i mi t e q u i l i b ri u m me t h o d 0 引 言 由于土石坝的工作特点 ， 渗流 问题的研究 已愈 来 愈 多 的受 到 大 坝 工 程 设 计 与研 究 人 员 的重 视 【 1 - 4 。事实表 明， 岩土介质 中渗 流场所 固有 的长 期连续变异的特性往往会直接困扰乃至危及大坝工 程 的建设和运行。据统计 ， 9 0 以上的库 区边坡破 坏和地下水动态有关 ， 约 1 3的大坝失事是 由渗流 引起的。 鉴于挡水效果和稳定性考虑 ， 大坝挡水一般采 用“ 上堵下排” 的思路_ 5 。对于土石坝坝体堵水措 施一般有面板、 止水、 心墙或斜墙等， 排水措施一般 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 5 - 2 6 作者简介 ： 刘钊 ( 1 9 8 7一 ) ， 男 ， 山西 省城 固县 人 ， 硕 士研究生 ， 主 要从事大坝渗流及稳定性方面 的研究工作 为排水棱体或排水褥垫等。均质坝坝体不设专 门的 挡水措施 ， 其整个坝体可视为挡水体， 因此在坝体渗 透系数一定的情况下 ， 下游排水措施成为调节坝体 渗流场分布和 自由面形状及位置的关键设施。均质 坝下游排水一般采用褥垫式排水 ， 它可 以较深地深 入坝体 内部 ， 从而提高对坝体渗流场分布 的调节能 力。但 由于施工原因或在大坝运行过程中流土、 管 涌或其他原因造成排水失效或部分失效的情况经常 存在 ， 从而使排水褥垫不能发挥预期效果 ， 导致坝体 渗流 自由上升 ， 饱 和区范围增大 ， 下游坝坡稳定性降 低甚至失稳。 本文基于渗流力学和有线元法建立等效连续介 质渗流模型 ， 计算出渗流 自由面及孔隙水 压力等结 果 ， 再将这些结果作为坝坡稳定性计算的前提 ， 用极 限平衡法计算下游坝坡安全系数。文中对南沟门水 库均质坝进行工程实例分析， 主要对排水褥垫正常 西： j 匕 水电 2 0 1 1年 第 6期 7 3 运行到部分失效 ， 再到完全失效工况下计算 区域渗 流场及 自由面进行分析 ， 并对每种情 况下下游坝坡 的稳定性进行计算。得出的坝坡稳定性随排水褥垫 失效而降低的规律 ， 可供 同类工程设计借鉴 。 1 计算原理 1 1 有 限元渗 流分 析模 型 为了便于分析且符合工程实际问题的研究 ， 对 有限元渗流场计算模型作如下假设 ： 渗流服 从达西定律 ； 不考虑土体和水的压缩性： ， 渗透时 土体的孔隙率大小和孔隙比不变； 土体内水的饱 和度不变。 有限元 解根据 的是 D a r c y定 律和流量 平衡定 理 ， 对此控制方程通过变分或加权残值法得出关 于 水头的代数方程组 。土坝浸润面上部 区域属于非饱 和区， 将非饱和区近似为不透水区的处理 ， 即把浸润 面当作不透水边 界处理 。对于各 向同性介质 的土 坝， 浸润面内湿区控制方程( 拉普拉斯方程 ) 为 ： h=0 ( 1 ) 式 中： h为总水头。 计算模型底部及 自由面流量边界为 一O h ：0 ( 2) an 式 中： n为外边界 的外法线方 向。 计算区域两侧的水头边界为 h=H ( 3 ) 式 中： H为边界水位高度。 浸润面和益处面得水头条件为 h=z ( 4 ) 式 中： Z 为从模型底面开始计算的高度 。 有 限元法的理论基础基本上都是对控制方程通 过变分或加权残值法得到积分方程 ， 然后在整个堤 坝 区域 内对水头分布进行分块离散 ， 以节点水头为 参数通过函数插值来构造试函数 ， 并使得每个单元 区域的试函数都满足积分方程 ， 最后通过： 点相容 性联系各个单元而得到整体的矩阵方程组 。该模型 的基本控制方程为 O( O h 1 + ( ) ：0 ( 5 ) a a咒 o y o y 通过变分法或加权残值法得到积分方程 ， 然后 分块离散 ， 就可 以得到每个点的水头控制方程 ， 从而 通过迭代计算可得渗流 自由面。 1 2极限平衡法基本理论 通过有限元瞬态渗流分析得出水位骤降后某一 时刻 自由面， 对于滑动面在浸润面以下 的情况 ， 可采 用考虑孔隙水压力影响的有效应力方法来计算土坡 的安全系数 ， 再结合 Mo r g e n s t e r n P r i c e提 出的非饱 和土体的强度理论 j ， 土质边坡 的安全系数公式可 写为 ： c + t a n b y h c 0 s 0 一 t a n 6 p f 。 b iy h s i n 0 ( 6 ) 式中： F 为边坡稳定 系数 ； C ， 为土体 的有效应 力抗剪强度指标 ； 表示 由于基质吸力增加引起抗 剪强度增加的吸力摩擦角； 为土的天然容重； 0 为 条块底面中点 的切线与水平面的夹角 ； h 为土条高 度 ； f 为土条滑动面最大弦长 。 根据式( 6 ) 结合有限元渗流分析得出的孔隙水 压力等结果 ， 定义材料参数后可搜索出临界滑移面 ， 计算 出坝坡安全系数。 2 工程实例 2 1 工 程概 况 某水利枢纽工程位于陕西省延安 市黄陵县境内， 总库容 1 9 4亿 m ， 枢纽工程等别为 等 ， 工程规模为大( 2 ) 型。拦河坝采用均质土坝 ， 大坝坝顶高程 8 5 2 0 m， 坝顶宽 1 0 m， 最大坝高6 6 0 i n ， 正常蓄水位 6 0 m， 死水位 2 9 m， 下游水位取 0 i n ， 坝顶总长 5 0 2 0 m； 坝体上游边坡为 1： 2 7 5和 1： 3 ， 在高程 8 3 0 1T I 处设宽 3 0 IT I 马道 ， 下游坝坡 比均 为 1： 2 7 5 ， 在高程 8 3 6 m和 8 1 6 m处设宽 2 0 IT I 的 马道 。坝体上游面采用厚 0 4 m干砌块石砌护 ， 干 砌石护坡下铺厚 0 2 m碎石垫层 ， 并于坝体内设水 平褥垫排水 ， 下游坝坡采用浆砌石 网格 内植草皮护 坡 。 2 2 有限元渗流分析 根据某水库具体情况， 取某河床坝段横断面建 立有限元分析模型( 见图 1 ) 。计算区域不同分区参 数取实测值或试验值， 表 1 给出了模型不同分区计 算参数取值 。 本文假设其它条件不变， 仅考虑排水褥垫从正 常到失效的过程对模型进行不同工况的渗流场及下 游坝坡稳定性的计算 ， 计算工况如表 2 。 ! ! 堕 周， 冯璐 均质坝排水失效坝体自 由面变 化及坝坡稳定分析 董 越 枢 黼 顺河距离 ， m 图 1 计算模 型网格 剖分图 表 1 模型计算参数表 工况 工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 排水褥垫渗透系数 ( m s ) _ - _ _ - - 。 。 _ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 1 8 5 2xl 0一 1 8 5 2xl 0 4 1 8 5 2xl 0 5 1 8 5 2x1 0- 6 根据表 2所 列工况对计算 区域渗 流场进行计 算 ， 计算结果以总水头等值线和渗流 自由面表现为 图 2 5 。图2 5中， 工况 1 4总水头分布变化不 大， 但渗流 自由面随着排水褥垫渗透系数 的减小而 升高 ， 很明显 ， 坝体饱和区的范围也随之变大。 越 枢 硼 1I llI 点 制 链 捌 1I Il1 - 三 一 f I j I 、 一 、 三 图 2 工况 1渗流 场分 布图 三一 一 一 。 一 f I f J 1 l l 一 三 颓河距离 m 图 3 工况 2渗流场分布 图 图5中， 即排水褥垫渗透系数接近坝体渗透系 数时， 自由面溢出点 已经上升到坝基 2 0 m以上 ， 这 种情况形成的渗透力会对 出渗面土体 造成较为严重的破坏 。 2 3下游坝坡稳定性分析 均质 坝坝 体不 设 特殊 的 防渗措 施 ， 整个均质坝体兼 防渗和结构稳定 功能 ， 坝体 自由面 的形状及位置决定 于坝体 和排 水褥垫的渗透系数 比例 ， 而在坝体 渗透 系数 较为 稳定 的情 况 下， 排水褥 垫成 为决 定 自由面 的唯一 因素 ， 用极限平衡法计算边坡稳定性时 ， 饱和区范围 是考虑的重点因素。根据 2 2节计算 出的渗流场分 布情况 ， 由 Mo r g e n s t e r n P r i c e法计算不同工况下游 坝坡安全系数。由于 M o r g e n s t e m P r i c e 法考虑条问 正应力和切应力 ， 同时满足力矩平衡和力平衡等条 件 ， 计算结果较接近实际。表 3为不 同工况下下游 坝坡稳定性计算结果 。 1 0 0 8 0 6 O 2 4 O 0 例0 挺 2 O l o 0 魁 键 删 _ 图 4 工况 3渗流场分布图 三 一 l f l 一 - 1 蘅。 l 气 l ， 0 c I I 腰河距离 m 图 5 工况 4渗流 场分布 图 表 3 稳定性计算结果表 下游排水褥垫施工符合设计要求且正常运行条 件下( 即工况 1 ) ， 下游坝坡安全系数为 2 0 9 1 ， 稳定 性很好 ， 有较大安全裕量抵抗其它不利 因素 ( 如地 震 、 暴雨入渗等) 对坝坡稳定造成 的损 害。随着排 水褥垫 的逐渐失效( 工况 2 ， 3 ， 4 ) ， 下游坝坡安全系 数逐渐降低。工况 4排水褥垫渗透系数接近坝体渗 透系数 ， 视为排水完全失效 ， ( 下转第8 4页) 踮加。 和勘 8 4 杜正乔， 付江山 数字正射影像图在 S C S G 2 0 0 4软件 中的应用 3 2 在水利水电工程中的应用 这些年来 ， 水利水 电工程如雨后春笋般蓬勃开 发 ， 给测绘工作也注入了新的活力 。陆地摄影 、 航空 摄影 、 全数字近景摄影测量技术被大量应用在工程 建设中， 以往设计人员设计公路、 房屋 ， 隧洞等项 目， 都要借助地形图上的等高线 、 高程点来判断地形 、 地 貌情况 ， 有时还要进行现场察勘 ， 数字正射影像图技 术的应用 ， 设计人员可 以把影像图作为底图， 根据地 形图中的等高线 、 高程点辨别影像图的地形 、 地貌情 况 ， 使设计人员如临其境 ， 直接在正射影像地形图上 设计 ， 根据设计需用还可以随时打开、 关闭图层。 测量人员野外采集数据 ， 对地物 、 线状 物、 房屋 等都是记录员现场备注、 或在测量仪器 中加以备注， 内业编码转换后进行绘图。现场情况复杂 ， 测量时 难免丢失 、 少测地物 、 地类 ， 如果借助正射影像 图， 就 可以避免这些问题发生， 利用正射影像 图， 可以很好 地校核所测的地形数据， 填补测量时未测到的地物、 地类范围、 房屋等。这项技术在水利水 电工程 中的 应用 ， 有 效 地 将 正 射 影 像 图 和地 形 图利 用 S C S G 2 0 0 4多用途数字测绘与管理系统的强大功能结合 在一起 ， 更加直观方便地查询地形 的数据资料 ， 使后 续的征地工作 、 技术设计直观方便且有理有据 ， 这一 专业技术上 的突破得到测绘行业的好评 。 4 结语 数字正射影像 图技术在移民征地工程 、 水利水 电工程中的成功应用， 标志着测绘行业 已经进入了 数字化影像时代 ， 在应用及所生产 的成果方面， 处于 领先水平。从 目前应用情况来看， 它的应用前景十 分广阔， 但是对该技术在工程 中的推广应用还存在 一 定的难度 ， 其主要原因是对该技术还不够了解 ， 前 期测量投入成本 比较大， 随着此项技术的 日趋成熟 ， 将会为征地工程 、 水利水电工程作 出更大的贡献。 参考文献 ： ， 1 广东开思公司 ( s c s G 2 0 0 4多用 途数字测绘 与管理 系统 说 明书 M 3 2 0 0 4 2 张正禄 工程测量学 M 武汉 ： 武汉 大学 出版社 ， 2 0 1 0 3 D L T 5 1 7 3 2 0 0 3 ， 水 电水利工程施工测量规范 s 4 1 张剑清 摄影测 量学 M 武汉 ： 武汉 大学 出版社 ， 2 0 0 3 5 崔洪 斌 A u t o C A D实 践教 程 M 北 京 ： 高 等教 育 出版 社 ， nn ( 上接 第 7 4页) 此时安全系数仅为1 3 4 2 ， 由于极限平衡法计算边坡 安全系数未考虑渗透力 、 拖曳力及坡 面出渗等 1 1 对 边坡局部稳定性造成的不利影响 ， 此时坝坡稳定性 较差 ， 安全裕量较小 ， 甚至有失稳 的危险。通过滑弧 最大深度在不同工况下的变化情况 ， 可以看 出， 随着 排水褥垫的逐渐失效 ， 坝体渗流 自由面逐渐升高， 滑 弧逐渐由深层转为浅层 ， 则容易受外部不利 因素 的 诱发而发生滑动 。 3 结论 本文结合有限元等效连续介质渗流模型和极限 平衡法对均质坝排水褥垫失效情况下坝体渗流场和 下游坝坡稳定性进行分析， 得出以下结论 ： ( 1 )均质坝渗流场主要由均质坝体渗透系数和 下游排水渗透系数比率决定， 坝体渗透系数稳定的 情况下 ， 下游排水渗透系数成为坝体渗流场和 自由 面位置及形状的决定因素。 ( 2 )随着排水褥垫逐步失效 ， 坝体渗流 自由面 上升， 饱和区范围增 大， 下游坝坡安全系数降低 ； 滑 弧逐渐由深层转为浅层 ， 则容易受外部不利 因素的 诱发而发生滑动。 参 考文献 ： 1 柴军瑞 ， 徐维生 大坝工程渗流非线性问题 M 北京 ：中国水 利水 电出版社 ， 2 0 1 0 2 毛昶煦 ， 段 祥宝 ， 李 祖贻 渗 流数值计 算与程 序应用 M 南 京 ： 河海人学出版社 ， 1 9 9 9 3 孔伟 小型土石坝 防渗加 固前后渗 流及稳定 分析 D 长 沙 ： 长沙理工大学学位论文 ， 2 0 1 0 4 朱 晓源 考虑非饱和 土体的土石坝 渗流与 坝坡稳定 分析研 究 D 浙江 ： 浙 江大学学位论文 ， 2 0 0 6 5 顾慰 慈 土石 ( 堤) 坝 的设计与计算 M 北京 ：中国建材工 业 出版社 ， 2 0 0 6 6 赵振兴， 何建京 水力学 M 北京： 清华大学出版， 2 0 0 5 7 G r i ff i t h s D V，L a n e P AS l o p e s t a b i l i t y a n a l y s i s b y f i n i t e e l e m e n t s J G e o t e c h n i q u e ， 1 9 9 9 ； 4 9 ( 3 ) ： 3 8 7 4 0 3 8 谢定义， 姚仰平， 党发宁 高等土力学 M 北京： 高等教育出 版社 ， 2 0 0 7