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降雨与库水位升降会使土石坝渗流场产生剧烈变化,而渗流场计算是坝坡稳定分析的重要依据。目前,有关库水位变化对土石坝渗流场及稳定性的影响研究比较成熟,而降雨尤其是降雨与库水位变化同时作用于土石坝的条件下,有关土石坝渗流场及稳定性影响的研究成果较少,尚待进一步研究。本文基于多孔介质饱和-非饱和非稳定渗流理论,采用有限元方法模拟了降雨与库水位升降条件下的土石坝渗流场,并以此为基础,采用极限平衡方法计算了相应渗流场下土石坝上游坝坡的安全系数。分析了降雨与库水位变化条件下渗流场与坝坡稳定性随时间的变化规律,以及库水位升降速度、降雨强度、降雨历时等对土石坝渗流场和坝坡稳定性的影响。本文的主要研究成果如下:
(1)降雨入渗会使土石坝坝内的浸润线位置和孔隙水压力出现较大的变化,变化程度与降雨强度、历时和土体渗透系数有关。降雨强度越大,历时越长,暂态饱和区范围越大越深,表层基质吸力降低越多。渗透系数越大,降雨时渗流场的变化越快。
(2)降雨停止较长一段时间后,坝体渗流场达到新的稳定状态。此时的稳态渗流场与降雨之前相比,表层基质吸力减小,且降雨强度越大,历时越长,基质吸力减小越多。
(3)库水位变化与降雨入渗共同作用下,土石坝的渗流场变化是由单一因素作用下渗流场叠加的结果,且坝体渗流场达到稳定的时间长于单一因素作用下的渗流场。
(4)库水位下降联合降雨入渗作用下,上游坝壳浸润线靠近坝体顶部,降雨入渗使该处浸润线有所抬高,且降雨总量越大,浸润线抬高越多;同时由于库水位下降,使临水面浸润线同步下降,由此导致上游坝壳的浸润线具有比单独作用下更大的斜率,这对边坡稳定是极不利的。
(5)库水位上升联合降雨入渗作用初期,上游坝壳浸润线距坝体顶部较远,降雨入渗主要对坝体表层非饱和渗流场产生影响,库水位上升主要对上游坝壳浸润线产生影响;达到新的稳定状态后,表层最大基质吸力比单一因素作用下的最大基质吸力小。
(6)降雨与库水位快速下降双重作用下,库水位下降对坝体稳定性的影响占主导地位。上游坝坡安全系数变化规律总的来说为先减小后增大,最终趋于一个稳定的安全系数。最小安全系数大约发生在库水位下降的停止时刻。库水位下降速度越大,安全系数越小;降雨历时越长,安全系数越小;降雨强度越大,安全系数越小。库水位下降联合降雨作用下的最小安全系数均比单一作用下的安全系数小。
(7)降雨与库水位上升双重作用下,当库水位上升速度较大,降雨强度较小、历时较短时,上游坝坡安全系数的变化规律为先增大,再减小,最后趋于稳定;当库水位上升速度较小,降雨强度较大、历时较长时,上游坝坡安全系数的变化规律为先减小再增大,再减小,最后趋于稳定。库水位上升速度越小,安全系数越小;降雨历时越长,降雨强度越大,安全系数越小;库水位上升联合降雨作用下的最大安全系数比单独库水位上升作用下的安全系数小,最小安全系数比单独降雨入渗作用下的安全系数大。