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某土石坝渗流及稳定分析研究

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西北水电・2017年・第1期 文章编号:1006--2610(2017)01—O030—05 某土石坝渗流及稳定分析研究 赵明辉 ,彭清娥 ,汤 雷 大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都610065; 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都610072) 摘要:土石坝的渗流与坝坡稳定是影响土石坝长期安全运行的一个重要原因。运用有限元软件Geo-Studio2012 I).. ̄Nt.Autobank7.41对某土石坝渗流稳定进行数值模拟分析,并采用水力学法以及瑞典圆弧法对其结果进行对比。 结果表明,该土石坝坝坡稳定,3种计算方法的最后结果非常接近,同时都位于安全范围之内。相比而言,软件计算 有着更大的安全空间,计算更加方便快捷,在今后土石坝渗流稳定分析中会具有广阔的应用前景。 关键词:土石坝;渗流分析;坝坡稳定;Geo-Studio2012,:Autobank7。4l 中图分类号:TV64l:TV13 1 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2017.01.008 Analysis and Study on Seepage and Stability of An Earth——rock Dam ZHAO Minghui ,PENG Qing'e ,TANG Lei (1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Chengdu 610065,China; 2.Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,China) Abstract:Both seepage and dam slope stability of the earth-rock dam are important factors to impact the long—term and safe operation of the earth—rock dam.By application Geo-Studio2012 and Autobank7.41,the numerical simulation analysis is performed for the seepage and stability of one earth—rock dam.Furthermore,the analyzing resuhs are compared with those of calculation by the hydraulics method and the Swedish arc method.The calculation results show the earth—rock dam slope is stable and they are very close.Meanwhile,they all are in range of the safe values.Comparing each other,calculation by software is with larger safe room and calculation is convenient and less time consumption.The software will be with wide application prospect in the seepage and stability analysis of the earth—rock dam in the future. Key words:earth-rock dam;seepage ana】ysi ;stbiality of dam slope;Geo—Studio2012;Autobank7.41 0前言 土石坝失事事故频频发生,所以合理、准确地对土石 坝渗流及坝坡稳定分析极为重要。中国在20世纪 土石坝在水利工程领域是一种很常见的坝型, 因其具有就地取材、造价低廉、结构简单、对自然条 件适应性强,施工作业面大,容许大型机械进入施工 等优点而被广泛采用。但是由于渗流问题而引发的 收稿日期:2016—11-07 50~70年代修建了许多中小型土石坝,限于当时的 经济技术条件,很多工程都是边勘测、边设计、边施 工,这给工程的安全与运行埋下了隐患。如今中国 很多中小型土石坝工程已经进入病险阶段,因此有 必要对其进行安全检核和除险加固。本文利用有限 元软件Geo—Studio2012、Autobank7.41以及传统的 瑞典圆弧法对某土石坝进行稳定分析,讨论坝体渗 流和上下游边坡的稳定性情况。 作者简介:赵明辉(I990一),男,河北省保定市满城县人,硕士 研究生在读,从事河流工程及都市水力学研究. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51639007). 西北水电・2017年・第1期 3 l l 渗流及抗滑稳定分析理沦 1.1渗流分析原理 绕其同心转动,若滑动力矩小于抗滑 J ,!J!lJ说明边 坡稳定性良好,否则边坡不稳定。 正常运行时期以』爻阼水位骤降lf、f 均果_【_}j有效 应力法进行计算,计算公 为: : 土 !渗流分析的理论基础为达西定律。达两 定律与迮续方程结合从而得到稳定渗流的微分方程 式: ≯ (3) ( 慧)+ ( O h)+ ( :喾)=0(1) 式巾: 为安全系数; 』弋中: 、k 、 :为3个渗透丰轴方向J 的渗透系数; h为水义函数 为汁箅滑动tt、r的 块土条 重量;W 为汁算抗滑力f{、J‘的第i块土条最艟; 为 i块土条 切而与水平ffI『的灾角; ,C , ,分别为第i 块土条滑动 的内摩抹fT1、囱‘效粘聚 宽度 往小丈lf1,将土 j{J!渗流问题简化为二维渗流 问题(-卜:面),从l『I『稳定渗流方程式为: 0 t1)+ ( 。 )=0 1.2抗滑稳定分析理论 (2) 2_[ 程案例分析 2.1工程概况 土 !边坡稳定性分析的结果不仪会直接影响 到边坡没汁情 ,同时也是边坡设汁标准制定的醺 某水库枢纽l 程化 战河一级支流I , 制流域 阿积为663.3 km ,总 为330.0万111 , 利库容 要内容. _卜石坝边坡稳定分析是建构在渗流分析堆 础上的,即坝体需在渗流作川F同时满足稳定性要 求,才能保 人坝的安令运行。本义介绍极限平衡 法基本 沦 ㈨勺瑞典 弧法、 圆弧条分法的基本 252.09万一n ,死库容为25.7万111 ,夫坝 黏土心埔 坝,由丁本T样水库库 很小, 洪水j9】水怍的调 原则是 水就蓄, 持怍满..此』=!J!设汁洪水位、校 洪水位均 常蓄水f 一致,为3 278.O0 Ill,最大坝 l 理为:似定土体有一系列嘲弧破坏面, 弧内的土体 高69 In。该土石坝最大削而布 图I 土石坝最大剖面布置图 2.2渗流分析计算工况 水位3 214.25 n ,此时坝内渗流的坡降最l尺,易产 渗透变肜; 3)席水位…J 常萧水f 3 278.O0[11 F降至 水位3 241.O0 l-I],此时f 游坝坡最不稳定,易肜成卅 坡 (1)土 坝渗流分析的任务 1)确定坝体浸润线和卜游逸 -_的位置,为坝 体稳定汁镩提供依据; 2)汁算.1-!J!体与坝琏的渗流量,以估算水库渗漏 损失; 2.3稳定分析计算工况 3)汁 :坝体与坝蚺渗流逸…处的渗透坡降,以 验算其渗透稳定性。 南r该上7了坝校核洪水化、设计洪水化I_j正常 蓄水位一致,均为3 278.O0 n ,下游十lI J、 高水位为 3 2l4.85 n ,卡H应最低水位为3 214.25 Ill,敝本没汁 (2)渗流汁算的坫水T况 1)I 游正常蓄水位3 278.O0 I11,下游相应最I岛 水位3 214.85 m,此f1、f坝内浸润线最高,渗流量最 大; 以2种 r 况进行计算 (1)稳定渗流时的下游坝坡:l 游为 常蓄水 位3 278.O0 n ,下游为村fJ1 最低水位3 2l4.25 m,形 成稳定渗流的卜游坝坡稳定分析; 2)【 游正常蓄水化3 278.O0 m,下游相应最低 32 赵明辉,彭清娥,汤雷.某土石坝渗流及稳定分析研究 表2坝壳和心墙材料设置表 (2)库水位骤降叫‘期的上游坝坡:上游正常蓄 水位3 278.00 ITI骤降至死水位为3 241.00 m,瞬态 渗流时的上游坝坡稳定分析。 3 Geo—Studio软件计算成果 3.1 软件简介 有限元分析软件Geo—Studio2012是20世纪70 此案例中边界条件划分为:上游水位、死水位、 下游最高水位、下游最低水位、潜在渗流面。潜在渗 流面选取位置为相应1-况下坝体下游水位与排水棱 体交界面处,渗流分析结果图如下,罔2中(a)、(h) 年代由加拿大著名的岩土软件开发商Geo—Slope公 司面向岩土一T 程、水利 r程、地质丁程以及公路 程 等相关领域开发的一套仿真分析软件。该软件采用 纯二维平台,各模块问互相紧密联系,不同模块之间 的数据可相互凋用。本文主要利用Seep/w模块实 为稳定渗流情况下的大坝孔隙水压力等势线图,图 3为非稳定渗流情况下的库水位骤降时期(历时24 h,由正常蓄水位降至死水位)的孔隙水压力等势线 图。 现土石坝坝体渗流数值模拟,运用Slope/w模块对 渗流作用下的边坡稳定性进行专项研究。 3.2渗流计算结果 2中(a)、(b)分别为为正常蓄水位下,下游 最高和最低水位情况时的孔隙水压力等势线图,坝 体内孔隙水压力的分布趋势为向下游依次递减,并 且从图2(b)中可以看 当下游水位较低时,坝体浸 润线(虚线)较高,相对来说对于坝体的安全更为不 利。 Seep/w地下水渗流分析模块用于进行多孔介质 渗流问题的有限元分析模块,土石坝渗流问题计算选 用此模块。通过对坝体的稳态渗流数值分析,可以确 定坝体内部浸润线位置、孔隙水压力分布情况。 图形建模在AutoCAD中完成,而后导入软件。 全局比例为1:600,为了计算分析方便,排水棱体 不做单独考虑,使用四边形以及三角形网格进行单 3.3上下游坝坡稳定计算结果 Slope/w模块主要用于针对岩土边坡稳定安全 系数的分析研究。针对本文中的土石坝边坡在渗流 作用下的稳定分析问题,可以利用此模块进行计算, 确定上下游坝坡最危险滑移面。针对下游坝坡稳定 问题采用Slope/w模块中的极限平衡准则计算,而 对上游坝坡采用Slope/w模块中的SIGMA/W准则 元划分,每个单元大概尺寸为5 m,共有2 994个节 点,963个网格单元。坝体各部分材料物理力学系 数见表1。 表l 坝体材料物理力学系数表 进行耦合计算,图4为正常蓄水位时大坝稳定渗流 时期的下游坝坡最危险滑移面的等势线结果图, 5为库水位骤降时期大坝非稳定渗流时期上游坝坡 的最危险滑移面的等势线结果图。 在渗流分析中设置材料参数是很关键的『¨J题, 如果材料参数没置不合理将会导致渗流浸润线的错 误绘制,进而影响后续坝坡稳定分析。Geo—Studi一 02012巾的Seep/w模块可以自动划分土石坝渗流 过程中的饱和及非饱和区域:该分析中坝基为饱和 (a)下游最高水位情况时的孔隙水压力 (b)下游最低水位情况时的孔隙水压力 区域,仅需设定其饱和传导率即可;而心墙以及坝壳 同时拥有饱和和非饱和 域,此时渗透系数并非一 个特定值。Geo—Studio2012软件的优点即在于此, 图2稳定渗流分析图 它允许使用者根据实验测定结果的点数据设置渗透 系数函数和体积含水量函数,具体设置如表2。 图3非稳定渗流分析图 西北水电・201 7年・第1期 图4下游坝坡稳定分析图 图5 上游坝坡稳定分析图 ? 卜游 坡饱定安全系数位丁2.72l~ 3.5】3之 l,I 游 坡稳定发仑系数位于2.860~ 3.21 5之 t,均满 规 ̄ , fI-I{t稳定安个系数允许俩 . 4-\Lit(drank7.4l软什¨‘算成果 4 I 软件简介 i,,fifC人 、 J 、 研究所编写的Autobank 7.4l软什,上 址针对r…l 水利行业的要求 }殳计, lIJ‘刈1 川』!、堤防、汹洲、水闸等水T建筑物进行详细 fI,j分析 }发软什采川允进的仃限元技术,通过软件 的个=『I功 络划J ̄JJj能,达代计‘算法确定坝身浸洲 线/支卜游逸… 、 化 , II.汁辫:f『J各种情况卜边坡 的发个系数, 汁钟:阶段几缝地结合存一起,使各个 汁钾: 构 联系 』III密切 本文利用Autobank7.41 软什刈 4i JJ)!进行渗流稳定分析。 4.2渗流计算结果 址十ll过 Atm ̄CAI)If,完成, 后导入Aut0一 k7.4l软什 『Ill 渗流分析分为稳定渗流分析以 』支l卜稳定渗流分忻,个=J 他JI J 动划分 角彤单元 n,J力’』I=,汁钟: 『『J形一 K度没定为5 Ill,共有 元 数:^,2168个, 点数l205个 刈‘』!J!体各部分材料 进 定义,lII 欠什ji:没仃 感到材料的饱 1与 饱fIII 城的划分, 此将I: !的■种筑坝材料均 定义 弹 材料,jF l1.I!对材料的饱和渗透系数 进f 定义, ’料参数选川 2,利fH软什巾的经验公 』 :给水 ,以满址求 坡稳定分析l1、『的需求, 『l ( t slII ,2()I2软 :n,JiI 算结果卡fl又、J‘J1 ,图6和降I 7址Aulolmnk7.41软什汁f算得到的大坝稳定渗流 定渗流 卜的汁钟:绵果罔,罔巾黑色线条为 体 涧线 6 )、(h)仪绘制…J 坝体在相应水位情 卜的 洲线,从cI1【I J以行…陔 ( 卜Studi— o2012软仆汁钟:…的结 常接近 .: ̄utobank7.4l 软什 Ceo—Studio20I2软什fl1比, If"稳定渗流分  ̄f-i[帅,J一个f』亡 ・ 、 j ,Autoimnk7.4l软 I』l J‘以绘制 …渗流分忻 一・ 步的没;I’Ij线,仃利j 他川 观消晰地行¨{瞬念渗流_l1f的浸润线 化情况 Il1)下游最低水位情况时的于L隙水压力 图6稳定渗流分析图 图7非稳定渗流分析图 4 3上下游坝坡稳定汁尊结果 针刈‘it!常运 情况以及 水f 骤降的lI-d-常运 仃情况,采川软 :内 的简化 将法进仃惚定计 钟:. 材料定义时,HH:陔坝坝I岛仃限,r叮以认为 体材料 水l ff1水卜的仃效 指标十l{ ,材料参 数选收 2.刈’] 2种情 均采川 效 法进 f f 钟:.确定 坡最危险滑移 以及最小 个=系数, 坡稳定分析『Iiffi 泔移 结果f』f 】8—9 l、正常运重塑.塑墼堕 鲨:垂鲞 ,重竖亘 堡 董鲎, 生. x 6030 — 图8下游坝坡稳定分析图 图9上游坝坡稳定分析图 经AtItol>ank7.4l软f,}:’I‘ :坝坡稳定分析}{ ,¨ j 运fi L ̄,j’f9j,卜游坝坡最危险滑移 的安伞系数价 为2.604;水化骤降Iil』l9J,f 游 坡最 险滑f{; 的 奠个=系数似为2.17l 卡¨比 ,( Si…Iio2012软 什的汁竹结 偏 安伞 赵明辉,彭清娥,汤雷.某土石坝渗流及稳定分析研究 5 理论计算与软件计算结果及分析比 牧_j  值为1.3;②非常运用条件下,最小允许值为1.2。 2种工况下的下游坝坡稳定最小安全系数及允许值 如表5所示。 表5稳定性计算结果表 计算工况 5.1 渗流计算结果及分析 在使用水力学法进行渗流分析时,根据钱家欢 《水T建筑物》中水力学法计算土石坝渗流的方法 对该土石坝进行渗流计算。库水位骤降时期并不是 稳定渗流阶段,所以无法计算出该时期的坝体单宽 渗流量和出逸处水力坡降,以下为3种方法对比结 果:坝体单宽渗流量如表3,出逸处水力坡降计算结 果如表4。 表3坝体稳定渗流量表 博r况 表3可以看出,大坝在校核洪水位库容 470.767Y nl 时,无论是在校核洪水位还是正常蓄 水位情况下,2种计算方法的大坝每日渗漏量均小 于10 nl ,满足防渗要求。 表4 出逸处水力坡降计算结果表 计算_丁况 些垫竺 墼 水力坡降 水力学法Geo—Studio2012 Autobank7.41 允许值 表4町以看出,无论是在正常蓄水位还是校 核洪水位情况下,2种计算方法的浸润线在下游排 水棱体出逸处的水力坡降都比《水利水电1-程地质 勘察规范GB50487—2oo8)中的无黏性土的允许坡 降最小值0.15小很多,因此下游排水棱体不会发生 破坏 5.2坝坡稳定计算结果及分析 本T程所在地区基本烈度为6度,根据中国 SL203—1997《水工建筑物抗震设计规范》设计在6 度以下时,除对重要工程采取适当的抗震结构和丁 程措施外。可不作抗震设计。该水库为Ⅳ等小(1) I- ,主要建筑物为3级,则可忽略地震力。从而 『{=f SL274—200l《碾压式土石坝设计规范》可知:① 正常运J}{=I条件下,坝坡抗滑稳定安全系数最小允许 从表5可以看出,2种计算T况下的最小安全 系数K ..均大于规范中安全系数允许值[ ]。 6结语 土石坝的渗流与坝坡稳定是土石坝安全校核的 一个重要问题,现阶段中国一些中小型土石坝工程 已经进入出险加同的阶段。本文分别利用有限元软 件Geo Studio2012、Autobank7.4l以及手动计算对某 土石坝渗流与坝坡抗滑稳定进行了详细分析。通过 以上的分析计算,可以看出2种有限元软件能够快 速清晰地给出土石坝渗流稳定计算的结果,具有建 模简单,可视化强的优点,能为水利水电l丁程技术人 员在今后计算土坝渗流问题提供极大的便利。 参考文献: 1] 巾华人民共和网围家发展和改革委员会.碾压式土石坝设汁 规范:DL—T5395—2007[S].北京:中国水利水电 版}{:, 2008. 2] 同家能源局.水I 建筑物抗震设汁规范:NB35047—2015[S]. 北京:中困电力¨{版 ,2015. 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