均质坝排水失效坝体自由面变化及坝坡稳定分析

西北水电·2011年-第6期文章编号：1006-2610(2011)06—O072—03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710048；2．中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安710065)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：TV641文献标识码：AAnalysisofdamfreesurfacechangeandslopestabilityfordrainage-failurehomogeneousdamLIUZhao，CHENXing—zhou，FENGLu(1．XianUniversityofTechnology，Xian710048，China；2．HydroehinaXibeiEngineeringCorporation，CHECC，Xi'an710065，China)Abstract：Theseepagefieldincalculationzoneisanalyzedbyfiniteelementmethodtostudythedamfreesurfacechangeanditsinfluenceonthestabilityofthedownstreamdamslopeincaseofdownstreamdrainagemattressfailure．Theobtainedresultsoffreesurfaceandporewaterpressureareappliedonthestabilityanalysisofdownstreamdamslopebythemethodoflimitequilibrium．Theresultsshowthatthedistributionofseepagefieldofhomogeneousdamdependsonthedownstreamdrainageconditions，ifthedrainagemattressfailures，theseepagefreesurfaceofdamrises，thescopeofsaturationareaincreasesandthesafetycoeficientofdownstreamdamslopedecreases．Keywords：homogeneousdam；drainagefailure；seepagefield；damslopestability；limitequilibriummethod0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，90％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：2011-05-26作者简介：刘钊(1987一)，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·2011年·第6期73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]：①渗流服从达西定律；②不考虑土体和