快速降水对坝体稳定性的影响(Rapid Drawdown)

1. 引言

水位快速下降的稳定性分析是堤坝设计中重要的考虑因素。堤坝中孔隙水压力的消散在很大程度上受路堤材料渗透性的影响。高度渗透性材料在快速降水过程中会迅速排干，但低渗透材料需要很长时间才能排干。当水位下降时，由于移去了水的重量而产生的稳定力会减小，如果坝体材料的渗透性较低，并且水位迅速下降(Rapid Drawdown, RD)，移去了水重量产生的稳定力，但堤坝内的孔隙水压力仍然很高，具有低渗透性的坝体材料其超孔隙压力将会缓慢消散，导致堤坝的稳定性降低。此外, 工业场地的储水池(Pond)在快速降水后也可能会产生类似的破坏。

2. 快速降水分析方法

快速降水的分析方法共有四种，其中以Duncan等人的方法(3)最为流行。

(1) 快速降水对堤坝稳定性的研究工作始于Lowe and Karafiath提出的算法[(1960) Stability of Earth Dams Upon Drawdown]，其核心是使用未降水前的不排干内摩擦角计算降水后的内摩擦角和粘结力；

(2) Army Corps of Engineers[(1970) Engineering and Design – Stability of Earth and Rock Fill Dams] 使用两线段代替了原始的一线段，使得设计方法趋于保守; 

(3) Duncan, Wright and Wong[(1990) Slope Stability during Rapid Drawdown]在Lowe and Karafiath工作的基础之上，进行了第三阶段的计算，在这个阶段，计算每个slice底部的有效应力，如果排干抗剪强度小于不排干抗剪强度，那么就使用排干抗剪强度进行计算。这三种Multi-Stage Rapid Drawdown方法都属于总应力法；

(4) 有效应力法，即B-Bar方法。为了进行快速降水计算，需要输入降水之前和降水之后的水位。为了得到更真实的解答，需要首先进行渗流分析，计算降水后的孔隙水压力，然后再进行有效应力瞬态分析。

3. 二维RD分析

下图所示的堤坝由一种材料组成，水位将从72m降至37m(降水35m)。使用GLE/Morgenstern-Price进行分析，Duncan方法的结果为FOS=1.042, Lowe 方法的结果为FOS=1.046 。概率分析的平均安全系数FOS=1.038，破坏概率PF=35.6%。

下图所示的是一个水库坝模型(Plaxis LE)，由两种材料组成，中间是密实的粘土核，上游坝的下部具有与核相同的强度。上游坝的上部和所有下游坝都是自由排水的岩石填充物(rockfill)组成。水位将从545ft降至380ft(降水49.5m)。仅对黄色部分的"Clay Core"进行RD分析，计算的安全系数FOS=1.478。

4. 三维RD分析

在项目设置中，选择"Rapid Drawdown Method"，然后选择Duncan(1990)方法，不排水强度插值方法Duncan(1990)。

当打开快速降水后，所有材料的地下水将改变到"Water Surfaces"。

在Rapid Drawdown面板内，选择剪切强度包络线类型，输入粘结力和内摩擦角的值，如下图所示。

坝体的安全系数FOS=1.06，临界滑动面位于坝体的上游一侧。

5. 参考

[1] Duncan, J. M. and Wong, K. S. (1983) Use and Mis-use of the Consolidated-undrained Triaxial Test for Analysis of Slope Stability During Rapid Drawdown. 【使用非排干脆性指数粗略估算静态液化(undrained brittleness index)】

[2] (2022) Slope geometry optimization considering groundwater drawdown scenarios at an open-pit phosphate mine, southeastern Brazil.【ChatGPT---学术文献引用的反向校准】

文章来源：计算岩土力学