江门市新会区金牛头水闸管理所 广东江门 529000
摘要：本课题以粘性土防渗体砂砾石坝为研究对象，根据该工程已规划的正常年水库水位调度过程线，通过GEO－SEEP、GEO－SLOPE软件对该坝体库水位年运行期内的上游坝坡的渗流稳定性变化规律进行预测分析，为水库运行管理提供重要依据。
关键词：粘土斜心墙坝；防渗体；渗流稳定；GEO－SEEP模块；GEO－SLOPE模块
1.水库枢纽8年调度周期内坝体上游坝坡稳定性分析
1.1分析原理
SEEP/W用于渗流分析，是一个有限元分析软件，分析地下渗流及含水孔压力分散集中，使用SEEP/W可分析从简单的饱合稳态到复杂的不饱和时变。在SEEP/W模块中，通过渗流有限元计算，可以分析边坡在不均匀饱和条件、非饱和条件下的孔隙水压力，也可以对边坡稳定时的瞬态孔隙水压力研究。
这里通过瞬态分析，可以得出不同时刻不同点的孔隙水压力状况。通过对孔隙水压力随时间变化的结果分析，可以研究边坡、坝坡稳定性与时间的关系。
1.2非稳定渗流模拟计算
1.2.1基本理论及计算断面
水库年调度周期内的坝体瞬息变化，坝体上游坝坡的影响分析对安全管理有重大的意义，所以考虑非稳定渗流计算分析是有必要的。GeoStudio的SEEP/W程序是针对饱和及非饱和多孔渗水材料渗流而编制的，适用于稳定状态下有边界和非边界渗流、瞬态渗流、平面或横截面二维渗流和轴对称的三维渗流，可用来研究水库年调度周期内坝体上游坝坡的稳定性影响的非稳定渗流，求解的方法是基于三角形和四边形的有限元法。
将坝体分成三个渗透分区，各渗透分区详见表8.1，计算断面见图8.1。
.png)
图1.1 正常蓄水位剖面模型及网格划分图
坝体材料选择参数见表1.1。
表1.1 坝体材料渗流系数
计算水库年调度周期内的库水位过程线如下图1.2所示。
.png)
图1.2 某水库周期内正常库水位时间安排表
瞬态渗流计算分析中，根据该水库的年周期内正常库水位的时间安排表利用GeoStudio的SEEP/W程序是针对饱和及非饱和多孔渗水材料渗流计算了不同时间所对应的不同水位的渗流变化。本设计针对水库水位变化比较大的两个时期进行了具体的分析，这两个时期分别是：
（1）水位上升时期：8月20日—10月10日；
（2）水位下降时期：12月25日—5月25日；
1.2.2总计算结果及分析
利用GeoStudio的SEEP/W程序计算，在边界条件中建立总水头与时间的函数，如图15所示。计算是从5月25日到次年的5月25日随时间变化水位变化过程中，坝体内的不同时间所对应的水位的浸润线变化过程。
.png)
图1.3 建模的时间与水头函数
图1.6 防渗体内浸润线变化
从计算结果图1.4和图1.5中可以看出，在模拟水库年周期内的正常库水位时间安排运行，水库水位变化的情况下，该粘土斜心墙坝的渗流逸出点比稳定渗流下降，基本在坝基高程，渗流量也比较小，满足渗透稳定的要求。
1.2.3水位上升时期结果分析
（1）浸润线分析
图1.8 8月20日到10月10日坝体浸润线变化
从计算断面水库水位变化时渗流场及浸润线的变化图8.6、图8.7和图8.8可以看出：由于水库水位变化，在斜心墙坝内部形成比较稳定的渗流状态，其浸润线是一条介于平均最高水位与平均最低水位之间比较稳定的浸润线。而随水位的变化，粘土斜心墙坝的渗流场有较大改变。在每年8月20到10月10时，水库水位由平均最低水位为40m逐渐上升到平均最高水位100m，在这个过程中防渗体的外坡处的浸润线上升最为明显的，上升比降很大，这个说明水位上升对防渗体的渗流变化影响较大，但是相对比较稳定。而且靠近斜心墙外坡的浸润线随水位变化虽然显著，但是斜心墙内坡的渗流场无明显变化。
考虑渗流的滞后作用，在水位上升至最高水位后，坝内的渗流场仍会有缓慢变化，但由于渗流的时间间隔比较长，在渗流场略有变化是在合理的范围内的，因此非稳定渗流变化的滞后作用对坝体内的渗流场并无太大影响。
（2）渗流流速分布分析
水库的年周期内正常库水位的时间安排内，对8月20日到10月10日水位变化中的流速分布计算分析。
图1.15 10月10日的流速分布
根据图1.9到图1.14计算得出的随水位变化的流速分布图可得，水位上升时，坝体内的渗流方向是由下往上的，渗流流速在水位刚刚上升的时候变化很大，流速也很大，对上游坝壳影响很大，说明水位在短时间内上升的话对坝坡的渗流破坏很大，对反滤层的要求也很高，所以水库设计反滤层时一定要满足设计要求，不能偷工减料。还要注意上游坝壳的排水孔的设计，定期检测排水孔是否被堵塞，防止渗流水排不出来，导致破坏反滤层，以致整个上游坝坡破坏。同时可以证明防渗体的防渗效果是很明显，渗流流速很大也没有破坏防渗体。
从图1.14和图1.15可以知道，水位逐渐增加到最高水位达到稳定时，流速变小了，达到稳定状态。
建议在运行期间，当水位上升前要求对上游坝壳的反滤层进行检测和维修，避免发生渗流破坏。
所以建议每年水位上升时要加强防渗体的检测和上游坝壳反滤层的检测，在水位上升期提前检查防渗体的安全度，可以检测防渗体的土料系数，利用反演GEO-SLOPE软件进行检测，如果发现与设计不符，要在水位上升前对防渗体加固，或者增加防渗保护。
1.2.4水位下降时期结果分析
（1）浸润线分析
图1.17 水位下降防渗体外坡处浸润线变化
从计算断面水库浸润线的变化图1.16可以看出：由于水库水位变化，在斜心墙坝内部形成比较稳定的渗流状态，其浸润线是一条介于平均最高水位与平均最低水位之间比较稳定的浸润线。而随水位的变化，粘土斜心墙坝的渗流场改变也不是很大，它的变化是很有规律的，没有很特别的突变。在每年12月25到5月25时，水库水位由平均最高水位为100m逐渐上升到平均最低水位40m，在这个过程中防渗体的外坡处的浸润线下降较为明显的，下降较比降大，这个说明水位下降对防渗体的渗流变化有一定的影响，但是很稳定。而且靠近斜心墙外坡的浸润线随水位变化虽然显著，但是斜心墙内的渗流场无明显变化。
考虑渗流的滞后作用，在水位降至低水位后，坝内的渗流场仍会有缓慢变化，但由于渗流的时间间隔比较长，在渗流场略有变化是在合理的范围内的，因此非稳定渗流变化的滞后作用对坝体内的渗流场并无太大影响。
所以建议每年水位下降时也要加强防渗体的检测，在水位下降期提前检查防渗体的安全度，可以检测防渗体的土料系数，利用GEO-SLOPE软件进行检测，如果发现与设计不符，要在水位上升前对防渗体加固，或者增加防渗保护。
（2）渗流流速分布分析
水库的年周期内正常库水位的时间安排内，对12月25日到5月25日水位变化中的流速分布计算分析。
图1.24 5月25日流速分布
根据图1.18到图1.23计算得出的随水位变化的流速分布图可得，水位下降的时候，坝体内的渗流方向是由上往下的，渗流流速在水位刚刚下降的时候变化很大，流速也很大，对上游坝壳影响很大，说明水位在短时间内下降的话对坝坡的渗流破坏很大，对反滤层的要求也很高，所以设计反滤层时一定要满足设计要求，不能偷工减料。同时还要注意上游坝壳的排水孔的设计，定期检测排水孔是否被堵塞，防止渗流水排不出来，导致破坏反滤层，以致整个上游坝坡破坏。同意可以证明防渗体的防渗效果是很好的流速很大也没有破坏防渗体。
从图1.23和图1.24可以知道，水位逐渐降低到最低水位达到稳定时，流速变小了，达到稳定状态。
建议在运行期间，当水位下降前要求对上游坝壳的反滤层进行检测和维修，避免发生渗流破坏。
1.3年运行周期内从稳定水位到水位变化分析
从水库年调度周期内的库水位过程线可以知道，水库有两个阶段是从相对稳定的水位变化到水位上升或者下降的，分别是：
（1）5月25日到8月20日水位稳定在40m深，从8月20日开始水位变化，开始上升。
（2）10月10日到12月25日水位稳定在100m深，从12月25日开始水位变化，开始下降。
研究这两种情况下，水位从相对稳态到水位变化的变化规律和分析对坝体的影响。
（1）稳态到上升阶段
计算了8月19日，8月20日，8月21日，8月22日这连续四天的渗流浸润线，分析其变化。结果如下图。
图1.28 8月22日的浸润线和流速分布
由图1.25到1.28可以知道，当水位在1到2天内上升时，在上升之前后渗流的浸润线几乎没有改变，但是渗流的流速在短期内改变了，这个很有可能使坝体渗流破坏，所以要注意运行时可以用底孔排水或者增加发电的台数，增加水位上升的时间，防止水位上升过快。在以后的运行过程中，应加强对坝体变形和库内水位的监测，确保水库安全运行。
（2）稳态到下降阶段
计算了12月24日，12月25日，12月26日，12月27日这连续四天的渗流浸润线，分析其变化。结果如下图。
图1.32 12月27日的浸润线和流速分布
由图1.29到1.32可以知道，当水位在1到2天内下降时，在下降之前后渗流的浸润线几乎没有改变，但是渗流的流速在短期内改变了，这个很有可能使坝体渗流破坏，所以要注意运行时可以用减少泄水量或者适当地关闭发动机组，增加水位下降的时间，防止水位下降过快。在以后的运行过程中，应加强对坝体变形和库内水位的监测，确保水库安全运行。
2结论
2.1效果作用
基于粘土斜心墙坝设计，渗流稳定分析与年运行期的渗流稳定分析，实现了涉及多方面的理论、方法和技术的学习，通过该设计，我学习到了以下知识和对我以后的学习和工作都有以下的帮助，更重要的是能为我区水库运行管理提供理论经验。
水库在促进地区经济发展以及防洪调度洪水方面发挥着至关重要的作用，因此，水库管理单位应将水库运行管理及防洪调度工作当做工作的重点认真落实。同时，定期排查水库存在的质量问题，做到早发现早解决，保证在水库安全运行的基础上，针对管理及调度体制存在的问题积极寻找有效解决措施，提高水库抵御自然灾害的能力，延长水库使用寿命，使水库为人们的正常的生产生活做出应有的贡献。
通过粘土斜心墙坝的设计，查阅了大量关于土石坝设计要求和相关土石坝的知识，并且对土石坝运行期内该如何制定年运行操作方案有了深入的了解，这些知识是很难得的，给我区水库运行管理工作有很大的帮助，可以作为经验在全区推广，指导水库运行管理单位根据年调度水库水位变化，应如何加强对坝体变形和库内水位的监测，确保水库安全运行，最大限度发挥水库效益。
参考文献：
[1]潘家铮，何璟主编，中国大坝50年，北京：中国三峡出版社，1991，1-456。
[2]林继鏞，《水工建筑物》、第五版，北京市海淀区，中国水利水电出版社，2009，1-537。
[3]董学晟，水工岩石学，北京：中国水利水电出版社，2004。
[4]陈祖煜，土质边坡稳定分析——原理.方法.程序.北京：中国水利水电出版社，1999，208-340。
[5]章青，卓家寿.三峡船闸高边坡稳定分析的界面元与评判标准[J].岩石力学与工程学报.2000 19（3）：285-288。
[6]孔俐丽、刘小生、赵剑明和刘启旺.高土石坝建设的若干应用基础研究问题.中国水利水电科学研究院学报，2006年12月.第4卷.第4期：310-312。
[7]张碧莹.土石坝浸润线至下游坝坡最小距离的确定.内蒙古农牧学院学报，1998.12.第19卷.第4期：318-319。
[8]华东水利学院.水工设计手册.第7卷水电站建筑物.水利电力出版社，1983.5：402-405。
[9]黄河水利委员会勘测规划设计研究院.碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）.中华人民共和国水利部，2002.1：15-85。146-147。