庫水位驟降偶遇地震作用下黏土心墻壩滲透及抗震穩(wěn)定性分析

吳 平， 萬燎榕

(江西省水利規(guī)劃設計研究院， 江西 南昌 330029)

1 研究背景

近年來，我國發(fā)生了許多水庫庫岸滑坡事故，大量的滑坡體滑入水庫，不僅減少了水庫的有效庫容，而且滑坡體高速滑入水庫時造成大量的涌浪，威脅大壩安全以及庫區(qū)周邊人民群眾生命財產(chǎn)安全[1-3]。庫水位的循環(huán)漲落是影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的一個主要因素。大多數(shù)學者都認為庫水位驟降時，由于坡內(nèi)水位滯后于坡外水位，坡內(nèi)滲流水產(chǎn)生指向坡外的滲流力，從而降低了土體強度，導致邊坡失穩(wěn)破壞[4-6]。國內(nèi)外眾多學者對水位驟降對臨水邊坡的影響進行大量的數(shù)值模擬、模型試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測等研究。李卓等[7]根據(jù)自主設計的試驗開展了降雨與庫水位共同作用下邊坡滑坡研究，結果表明在庫水位劇烈變化以及降雨的雙重作用下，邊坡的有效應力減小，坡面產(chǎn)生塌陷裂縫。趙瑞欣等[8]以三峽庫區(qū)涼水井滑坡為例，運用數(shù)值軟件模擬不同庫水位驟升和驟降速率下邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。張珂峰[9]利用有限元軟件研究了庫水位驟降與降雨條件下深淺層邊坡的穩(wěn)定性。羋書貞等[10]運用數(shù)值計算軟件模擬了庫水位急劇變化時邊坡土體Fredlund非飽和參數(shù)對邊坡滲流特性及穩(wěn)定性的影響規(guī)律。李鵬岳等[11]借助Geostudio模擬了不同庫水位升降速率下庫岸的穩(wěn)定性變化趨勢。岑威鈞等[12]模擬了水位驟降期間偶遇地震作用時高土石壩抗震安全穩(wěn)定。陳鑄等[13]結合振動臺試驗以及數(shù)值模擬研究了庫水與地震力共同作用下某邊坡的動力響應。

然而這些研究都沒有涉及到不同庫水位驟降速率下發(fā)生地震時土石壩壩坡的滲透及抗震穩(wěn)定性。因此，本文以某黏土心墻土石壩為研究背景，利用Geostudio中的Seep/w、Slope/w以及Quake/w模塊對不同庫水位驟降速率以及偶遇地震情況下其上下游壩坡的滲流特性以及穩(wěn)定性變化趨勢進行研究，為水庫的安全運營提供一定的參考。

2 理論背景

2.1 非飽和理論

庫水位驟降時，土石壩壩體上、下游堆石區(qū)呈現(xiàn)出典型的飽和-非飽和滲流特性，特別是上游堆石區(qū)內(nèi)的孔壓力出現(xiàn)較大的波動，飽和-非飽和滲流[14]的張量形式如下：

(1)

2.2 非線性材料模型

本文進行動力模擬時采用Geostudio中Quake/w中的非線性材料模型，本文主要研究對象為壩體上下游堆石區(qū)，QUAKE/w提供的粗粒土的剪切模量表達式如下：

(2)

(3)

2.3 壩坡永久變形

本文采用1965年Newmark[15]提出的地震下邊坡的永久變形分析方法，即同時計算多個潛在滑動面并且計算出最大變形邊坡滑動面，在獲得最大變形的滑動面后Geoslope計算出安全系數(shù)Fs為1時的屈服加速度ay以及該潛在滑動面隨時間變化的平均加速度a，對(a-ay)關于時間二次積分即可得到潛在滑動面的Newmark邊坡永久位移大小。

3 計算模擬

3.1 工程概況

宜春市溫湯河四方井水利樞紐工程中的攔河壩為黏土心墻土石壩，從上游到下游依次為上游圍堰、上游堆石區(qū)、過渡層、黏土心墻、下游堆石區(qū)以及下游堆石棱體。壩頂高程為156.20 m，正常蓄水位為152.0 m，死水位為125 m，典型剖面如圖1所示。

3.2 計算模型

模型網(wǎng)格圖如圖2所示，地基厚度取為50 m，長305 m，地面高程(110 m)取為0，則死水位為15 m，正常蓄水位為42 m。N1、N2、N3、N4、N5和N6分別為上下游堆石區(qū)內(nèi)不同位置的監(jiān)測點。網(wǎng)格單元類型主要為三角形和四邊形。為了更準確地反映上下游堆石體內(nèi)不同監(jiān)測點的孔隙水壓力變化，取上下游堆石體和心墻部分的劃分網(wǎng)格尺寸為1.5 m，其余部分取3.5 m，全局共劃分3 854個單元，3 896個節(jié)點。

3.3 土體參數(shù)

黏土心墻土石壩各區(qū)域的物理力學參數(shù)如表1所示，土水特征曲線采用Fredlund&Xing模型[14]， 描述土水特征曲線 (SWCC曲線) 是衡量土體內(nèi)部滲透系數(shù)和體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關系的重要曲線，如圖3所示。

根據(jù)可研性研究報告，庫區(qū)的地震動峰值加速度為0.15g，相應的地震烈度為Ⅶ度。本次數(shù)值模擬采用國際上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度時程曲線，為縮短計算時間截取地震振幅較大的前30 s作為輸入波，在對地震波進行濾波以及基線校正處理的基礎上將其峰值調(diào)為0.15g(g=10 m/s2)，圖4為校正后的加速度時程曲線。

圖1心墻壩典型剖面圖 圖2模型網(wǎng)格圖

表1 壩體材料力學參數(shù)

圖3 壩體堆石區(qū)及心墻土水特征函數(shù)曲線

圖4 校正后水平向加速度時程曲線

4 計算結果分析

4.1 不同驟降速率上下游堆石區(qū)孔隙水壓力分析

為反映黏土心墻土石壩在不同庫水位驟降速率下(0.5、1.0、1.5 m/d)，從正常蓄水位(152 m)降落至死水位(125 m)過程中上下游堆石區(qū)不同位置的滲流特性，設置不同監(jiān)測點進行詳細分析。監(jiān)測點位置如圖2所示，其中N1、N2、N3分別位于上游堆石區(qū)的上部、中部、下部位置，N4、N5、N6分別位于下游堆石區(qū)的上部、中部、下部位置。本次模擬時長為180 d，包括庫水位驟降期與庫水位保持恒定期。不同庫水位驟降速率上、下游各監(jiān)測點孔隙水壓力隨時間的變化分別見圖5、6。從圖5(a)可以看出，隨著庫水位驟降速率的增大，上游堆石區(qū)的上部監(jiān)測點的孔隙水壓力減小速率也增大，且?guī)焖惑E降速率為1.0和1.5 m/d的孔隙水壓力變化曲線非常接近。第55～180 d內(nèi)，三者不同驟降速率下的孔隙水壓力變化曲線幾乎重合；在庫水位降落至死水位后該監(jiān)測點的孔隙水壓力仍在繼續(xù)減小，但是減小速率趨于平緩。圖5(b)與5(a)有著相似的變化規(guī)律，但是從圖 5(b)可知在庫水位驟降的第100～180 d之間，不同驟降速率下的孔隙水壓力開始趨于一致，并且保持不變。對于圖5(c)，由于下部監(jiān)測點一直位于庫水位以下或庫水面以上，所以其孔隙水壓力為線性變化，且當庫水位降至死水位后，其孔隙水壓力就保持不變。綜合比較圖5(a)、5(b)和5(c)可知，監(jiān)測點離庫水位越遠，其孔壓呈現(xiàn)出越明顯的非線性變化，不同庫水位驟降速率下孔壓的趨同性越高，孔壓力達到穩(wěn)定所需時間越長；在庫水位降落至死水位且經(jīng)過一段比較長的時間后，庫水位以上的土體中的孔隙水壓力會趨于一個變化區(qū)間，上中部監(jiān)測點最后的孔隙水壓力為-130～-125 kPa；上游各監(jiān)測點的孔壓值變化范圍在130～264 kPa。

從圖6(a)可以看出，在3種不同庫水位驟降速率下，上部監(jiān)測點的孔壓力變化幾乎相同，在庫水位開始驟降的前26 d內(nèi)，孔隙水壓力變化幅度非常小，在27～180 d之間孔隙水壓力幾乎呈現(xiàn)線性變化，總體的孔壓力變化范圍約為18 kPa，圖6(b)的變化規(guī)律與圖6(a)類似，只是在0.5 m/d的庫水位驟降速率下孔壓力的變化要小于1.0和1.5 m/d的庫水位驟降速率。圖6(c)為下部監(jiān)測點的孔壓力變化曲線，從圖中可以看出在庫水位開始驟降的前10 d內(nèi)孔隙水壓力幾乎保持不變，在第11～150 d孔隙水壓力呈非線性變化，第151～180 d孔隙水壓力又達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。從圖6(a)、6(b)、6(c)可知，監(jiān)測點離下游地下水位越遠，不同庫水位驟降速率下的孔隙水壓力變化區(qū)別越不明顯，孔隙水壓力也越難以達到穩(wěn)定狀態(tài)，孔隙水壓力響應庫水位驟降的時間也越長。下游各監(jiān)測點的孔壓變化范圍在18～27 kPa之間。

圖5 不同庫水位驟降速率上游監(jiān)測點孔隙水壓力隨時間變化圖

圖6 不同庫水位驟降速率下游監(jiān)測點孔隙水壓力隨時間變化圖

對比上下游堆石區(qū)內(nèi)不同位置監(jiān)測點的孔隙水壓力隨時間變化規(guī)律可知，上游監(jiān)測點的總體孔壓力變化值較下游大，孔壓力響應庫水位驟降的時間和達到穩(wěn)定值所需的時間均較下游短。

4.2 不同庫水位驟降速率上下游堆石區(qū)穩(wěn)定分析

圖7為上下游堆石區(qū)在不同庫水位驟降速率下的安全系數(shù)變化圖。從圖7(a)可看出，不同庫水位驟降速率下上游壩坡的安全系數(shù)總體是先減小后增大再保持不變。庫水位驟降速率越大，出現(xiàn)最小安全系數(shù)的時間越早，最小安全系數(shù)越小。在庫水位驟降速率分別為0.5、1.0、1.5 m/d時，最小安全系數(shù)分別出現(xiàn)在第54、27和18 d，恰好是庫水位以不同驟降速率降落至死水位時的時間點。當庫水位驟降至死水位之后，各驟降速率下的最小安全系數(shù)都有所上升但均小于初始安全系數(shù)，并在之后保持同一恒定的安全系數(shù)，這是因為當作用在上游壩坡面的水壓力慢慢消失后，壩坡減少了一個支撐力，壩坡的安全系數(shù)慢慢減小，之后死水位以上的壩坡土體的強度不斷增強，安全系數(shù)有所上升。

對于下游壩坡，不同庫水位驟降速率下安全系數(shù)呈現(xiàn)出不斷增大后保持不變的趨勢，庫水位驟降速率越大，最大安全系數(shù)出現(xiàn)的時間越早，最大安全系數(shù)越大，但是最大安全系數(shù)差值不大，為0.01。由于上游水位不斷下降，下游堆石區(qū)內(nèi)的浸潤線高程也不斷下降，下游壩體的非飽和區(qū)域增大，土體強度不斷增大，所以安全系數(shù)不斷增大。

對比上下游壩坡的安全系數(shù)可知，上游壩坡的初始安全穩(wěn)定系數(shù)要大于下游，但是庫水位驟降使得上游壩坡的穩(wěn)定性大大降低，需要引起重視。

4.3 不同庫水位驟降速率下偶遇地震上下游堆石區(qū)抗震穩(wěn)定分析

圖8和9分別為不同庫水位驟降速率上、下游壩坡的動力響應圖。

圖7 不同庫水位驟降速率上下游壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)隨時間變化圖

圖8 不同庫水位驟降速率上游動力響應圖

圖9 不同庫水位驟降速率下游動力響應圖

地震可能發(fā)生于庫水位驟降的任意時刻，所以限于篇幅，本文假定庫水位驟降至死水位時刻發(fā)生地震，即分別對應t=18,27,54 d時刻。從圖8(a)可以看出，不同庫水位驟降速率下的上游壩坡安全系數(shù)過程線變化規(guī)律基本一致，庫水位驟降速率越小，總體安全系數(shù)越大，由此可見庫水位驟降速率越大，壩坡在地震作用下的穩(wěn)定性越差。從圖8(b)也可以看出，庫水位驟降速率與地震作用下Newmark位移呈正相關，在庫水位驟降速率為0.5、1.0、1.5 m/d下，上游壩坡的永久變形分別為0.144、0.186和0.215 m。從圖9(a)、9(b)可以看出，對于下游壩坡而言，不同庫水位驟降速率下的壩坡安全系數(shù)過程線幾乎重合在一起，不同庫水位驟降速率下游壩坡永久變形分別為0.0907、0.0960和0.1020 m。由此可見，下游壩坡的安全系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)與庫水位驟降速率相關性低。對比上、下游壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)曲線可得，下游壩坡的安全穩(wěn)定系數(shù)相較于上游明顯提高，這主要是因為雖然上游庫水位驟降速率不同，但是由于心墻消耗了大量的水頭，下游堆石區(qū)內(nèi)的浸潤線位置變化不大，孔隙水壓力受上游庫水位驟降影響小，而且下游堆石區(qū)內(nèi)的非飽和區(qū)域大于上游堆石區(qū)，土體的強度比上游大。

綜上所述，不同庫水位驟降速率下黏土心墻土石壩的上游邊坡為抗震穩(wěn)定薄弱區(qū)，庫水位驟降速率越大，抗震穩(wěn)定性越差，但同時也要對下游壩坡的安全穩(wěn)定做出相應的防護措施。

5 結 論

(1)在不同庫水位驟降速率下，上游堆石區(qū)內(nèi)的監(jiān)測點離庫水位越遠，則孔壓力呈現(xiàn)出越明顯的非線性變化，孔壓力之間的變化區(qū)別越小，孔壓力達到穩(wěn)定值的時間越長，穩(wěn)定值越小。對于下游堆石區(qū)來說，監(jiān)測點離下游地下水位越遠，不同庫水位驟降速率下的孔隙水壓力變化區(qū)別越不明顯，孔隙水壓力也越難以達到穩(wěn)定狀態(tài)，孔隙水壓力響應庫水位驟降的時間也越長。

(2) 不同庫水位驟降速率上游壩坡的安全系數(shù)總體上是先減小后增大再保持不變。庫水位驟降速率越大，出現(xiàn)最小安全系數(shù)的時間越早，最小安全系數(shù)越小。對于下游壩坡而言，不同庫水位驟降速率下安全系數(shù)呈現(xiàn)出不斷增大后保持不變的趨勢，庫水位驟降速率越大，則最大安全系數(shù)出現(xiàn)的時間越早，最大安全系數(shù)也越大，但是差別不大。

(3)在庫水位驟降至死水位時偶遇地震情況下，上游壩坡的安全系數(shù)變化過程線變化規(guī)律基本一致，庫水位驟降速率越大，則安全系數(shù)越小，Newmark位移越大。對于下游壩坡而言，不同庫水位驟降速率對下游壩坡的安全系數(shù)影響不大，下游壩坡的安全系數(shù)過程線基本一致。

(4)無論在何種情況下，庫水位驟降對于上游壩坡的穩(wěn)定性影響要大于下游壩坡，在水庫管理運行過程中應盡量避免庫水位驟降的發(fā)生，同時加強上下游壩坡的安全穩(wěn)定性。