堤坝在快速降水情况下的全耦合流体变形分析
摘要
本文讨论了水库水位快速下降对堤坝稳定性的影响，指出低渗透性材料下孔隙水压力消散缓慢，可能导致堤坝失稳。文章回顾了简化分析方法如Lowe-Karafiath算法、Army Corps of Engineers方法和Duncan等人方法的局限性，并介绍了全耦合流体变形分析如使用Plaxis软件进行模拟的优势。全耦合分析包括稳态流分析、流体函数定义和全耦合流体变形分析，以更准确地模拟水位快速下降过程。
正文
1. 引言
水库水位的快速下降(Rapid Drawdown, RD)可能会导致堤坝失稳，因为坝体内部仍然存在很高的孔隙水压力，水位快速下降的堤坝稳定性分析是堤坝设计时重要的考虑因素。堤坝中孔隙水压力的消散在很大程度上受其材料渗透性的影响，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，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。
在实践中，通常使用简化方法进行RD分析，这种方法内置在极限平衡法中，不过简化方法既没有考虑孔隙压力的时间变化，也不能考虑孔隙压力对变形发展的影响，因此简化方法具有一定的局限性，而全耦合的流体变形分析能够完全模拟RD过程，例如FLAC和Plaxis，本文主要基于Plaxis讨论全耦合的流体变形分析。
2. 简化分析法
在讨论全耦合的流体变形分析之前，简要回顾快速降水的简化分析方法。
方法(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；
方法(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;
方法(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；
方法(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。
二维RD分析设置
上述四种方法中，以Duncan等人的方法(3)最为流行。
三维RD分析设置
3. 全耦合流体变形分析
_set InitialPhase.Identification "High reservoir"_set InitialPhase.DeformCalcType "Gravity loading"_set InitialPhase.PorePresCalcType "Steady state groundwater flow"_waterlevel (-132 25) (-10 25) (93 -10) (132 -10)_setglobalwaterlevel UserWaterLevel_1 InitialPhase
_headfunction_set HeadFunction_1.Name "Rapid"_set Rapid.Signal "Linear"_set Rapid.Time 5_set Rapid.DeltaHead -20_setglobalwaterlevel FullReservoir_Rapid Phase_1_set WaterSegment_4.TimeDependency "Time dependent"_set WaterSegment_4.HeadFunction Rapid
_set Model.CurrentPhase Phase_1_set Phase_1.Identification "Rapid drawdown"_set Phase_1.DeformCalcType "Fully coupled flow-deformation"_set Phase_1.TimeInterval 5
