基于Autobank的湘江汛期某堤壩穩(wěn)定性計算

姚紀(jì)華，朱龑飛，莊艷紅，廖 武，賀文雙，何香建，宋文杰

(1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.湖南九一工程設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410018；3.韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 韶關(guān) 512025)

1 研究背景

江河湖堤壩穩(wěn)定性一直是汛期亟待解決的難題，汛期湍急水流持續(xù)沖刷、高洪水位滲透作用及河水位陡降時堤內(nèi)水外滲作用，極易引發(fā)堤壩滲透破壞和堤外坡失穩(wěn)滑坡，特別是病險、隱患堤壩，常常引發(fā)堤壩潰口，導(dǎo)致水患災(zāi)害。因此，為緩解防汛壓力，研究汛期堤壩滲透破壞和內(nèi)外坡失穩(wěn)的原理和成因，探究失穩(wěn)堤壩加固措施顯得尤為重要。

由于堤壩形式、填筑材料、堤基地質(zhì)條件和水力條件的差異性，導(dǎo)致堤壩滲流和抗滑穩(wěn)定性計算極其復(fù)雜。因此，學(xué)者們在數(shù)學(xué)理論解方面進(jìn)行了很多探索，主要有堤壩非均質(zhì)各向異性穩(wěn)定性數(shù)學(xué)解[1-3]、基于一定邊界和排水條件的解析解[4]和半經(jīng)驗(yàn)半理論公式的近似解[5]。在數(shù)值模擬計算方面，主要利用有限元計算軟件對特定水位[6-8]、水位漲落[9]、地震+特定水位[10-11]等對多種工況下堤壩穩(wěn)定性進(jìn)行模擬求解。考慮到堤壩穩(wěn)定性計算的困難，也有學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究堤壩穩(wěn)定性[12-15]。此外，許多學(xué)者基于監(jiān)測和物探分析對堤壩穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[16-20]。

上述研究從多方面、多角度揭示了不同條件下堤壩穩(wěn)定性的特性，但汛期江河湖堤壩通常會出現(xiàn)長時間高洪水位運(yùn)行后水位陡降的復(fù)雜狀況，其滲流和抗滑穩(wěn)定具有突變性和特殊性，一旦發(fā)生滲透破壞和堤岸失穩(wěn)，可能引發(fā)巨大的災(zāi)害。因此，研究汛期堤壩穩(wěn)定特性及災(zāi)后加固措施是十分必要的。

本文采用現(xiàn)場鉆探、室內(nèi)外土工試驗(yàn)等方法獲得汛期某段垮塌堤壩巖土的物理力學(xué)參數(shù)，對原堤壩利用有限元模型進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，通過校正計算參數(shù)，分析計算加固后堤壩的穩(wěn)定性。本研究成果可為江河湖堤壩汛期穩(wěn)定分析、搶險及災(zāi)后加固重建提供參考。

2 基本原理

2.1 滲流分析理論

對于穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均各向異性二維飽和-非飽和滲流微分方程[21]：

(1)

式中：Q為單位時間平面邊界入滲量，m3/d;C(h)為容水度；Ss為貯水系數(shù)；x、y為平面坐標(biāo)；φ為水頭勢函數(shù)；Kx、Ky為x、y軸方向的滲透系數(shù)，m/d。

當(dāng)某邊界上單位時間滲流量Q已知時，公式(1)右邊體積含水量變化率為0時，可簡化為：

(2)

式中：lx、ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

根據(jù)堤壩實(shí)際情況，建立地質(zhì)概化模型，并進(jìn)行有限元離散，在給定堤外河水位及水位陡降變幅的基礎(chǔ)上，利用Autobank中滲流穩(wěn)定模塊對堤壩的滲流場進(jìn)行模擬計算，求解過程是通過節(jié)點(diǎn)流量平衡法在迭代計算的基礎(chǔ)上，自動確定浸潤線位置和滲流量[22 ]。

2.2 抗滑穩(wěn)定理論

根據(jù)參考文獻(xiàn)[23]穩(wěn)定滲流期附加孔隙水壓力已經(jīng)消散不予考慮，而施工期和水位降落期對粘性土應(yīng)該計入附加孔隙水壓力[23]。堤壩在壩頂水位和設(shè)計水位時抗滑穩(wěn)定計算采用忽略孔隙水壓力的總應(yīng)力法；在河水位陡降時采用有效應(yīng)力法。在沒有實(shí)測資料的情況下，附加孔隙水壓力=孔壓系數(shù)×土條有效重量的增量[24]。

本次計算抗滑穩(wěn)定性計算采用Autobank中的Bishop模塊，其安全系數(shù)Fs計算公式為：

Fs=

(3)

(4)

式中：ci、φi、li、θi分別為第i計算條塊滑面的黏聚力、內(nèi)摩擦角、長度和傾角；Ui、Gi、Gbi、Qi分別為第i計算條塊的滑面單位寬度總水壓力、單位寬度自重、單位寬度豎向附加荷載、單位寬度水平荷載。

3 工程概況

堤壩位于湘江干流某水閘上游1 km范圍內(nèi)，2019年7月該河段遭遇50～100年一遇洪水威脅，長達(dá)7～8 d處于警戒水位以上，4～5 d處于保證水位以上，最大洪峰過境時，兩岸堤防長達(dá)3 h處于河水漫堤狀態(tài)，且堤內(nèi)坡下部出現(xiàn)多處散浸和集中滲漏，但滲漏水多為先渾濁后迅速變清，同時堤內(nèi)為大片居民區(qū)和農(nóng)耕地，防汛形勢嚴(yán)峻?，F(xiàn)場采取了提前疏散居民、堤頂沙袋筑填加高、滲漏點(diǎn)加設(shè)反濾層等多項應(yīng)急措施。但局部堤外坡在汛期高速水流和退洪時陡降水位的作用下，發(fā)生堤內(nèi)坡連續(xù)崩塌和滑坡現(xiàn)象。堤壩汛前橫斷面圖如圖1所示。

4 模型建立及參數(shù)確定

為獲得該河段堤防在高洪水位及陡降水位作用下，其滲流、抗滑穩(wěn)定的變化規(guī)律和原因，選取其中某外坡滑坡段堤防為研究對象，其汛前壩頂寬4.4 m，堤高為8.0 m，內(nèi)、外坡坡比皆為1∶2，堤壩斷面有限元模型如圖2所示。并采用現(xiàn)場測量、鉆孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場孔內(nèi)注水試驗(yàn)等手段獲得堤壩巖土體物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)堤壩在汛期高洪水位狀態(tài)下堤內(nèi)坡腳滲漏點(diǎn)位置和滲漏量大小，及退洪時水位陡降導(dǎo)致堤內(nèi)坡滑坡的事實(shí)，對計算得出的參數(shù)進(jìn)行校核和修正，最終獲得的堤壩巖土物理力學(xué)修正參數(shù)見表1。

5 原壩堤數(shù)值模擬結(jié)果與分析

5.1 有限元滲流數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)已建立的堤壩有限元物理力學(xué)模型，利用Autobank中滲流穩(wěn)定模塊對汛前原堤壩在設(shè)計水位和堤頂水位的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計算，其計算結(jié)果如圖3、4所示。

圖1堤壩汛前橫斷面圖(單位：m) 圖2堤壩斷面有限元模型

表1 堤壩巖土物理力學(xué)修正參數(shù)統(tǒng)計表

圖3設(shè)計水位狀態(tài)下滲流數(shù)值模擬結(jié)果(高程單位：m) 圖4壩頂水位狀態(tài)下滲流數(shù)值模擬結(jié)果(高程單位：m)

由圖3和4可知，汛前堤壩在壩頂水位和設(shè)計水位(保證水位)狀態(tài)下，堤壩內(nèi)側(cè)坡腳高程531.0和529.7 m以下范圍滲流坡降皆大于壩體允許滲透坡降0.4，該范圍內(nèi)堤壩會發(fā)生滲透破壞；下游壩腳壩體與堤基接觸帶上堤基滲透坡降最大分別達(dá)1.03和0.98，遠(yuǎn)大于堤基土體允許滲透坡降0.55，該壩腳接觸地帶會發(fā)生滲透破壞。

上述計算結(jié)果與汛期下游實(shí)際觀測到的散浸位置和范圍，以及壩體壩腳與堤基接觸帶上存在集中滲漏較為一致，表明表1修正后堤壩的巖土物理力學(xué)參數(shù)較為符合實(shí)際。

5.2 有限元抗滑穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果

采用Autobank中的Bishop模塊對汛前原堤壩的在壩頂水位和水位從壩頂水位陡降至常水位時的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，其計算結(jié)果如圖5、6。

由圖5和6可知，汛前堤壩在壩頂水位狀態(tài)下，上、下游堤坡穩(wěn)定性最差的圓弧滑動面穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.76和0.88，規(guī)范要求堤壩壩坡穩(wěn)定性系數(shù)不低于1.25，即壩頂水位狀態(tài)下堤外坡穩(wěn)定，而堤內(nèi)坡將發(fā)生失穩(wěn)；水位陡降(設(shè)計水位陡降至常水位)狀態(tài)下，上、下游堤坡穩(wěn)定性最差的圓弧滑動面穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.17和1.31，即水位陡降狀態(tài)下堤外坡失穩(wěn)，而堤內(nèi)坡穩(wěn)定。

上述計算結(jié)果與汛期洪水位漫頂時堤內(nèi)坡發(fā)生滑移變形、洪水退卻時堤外坡發(fā)生滑坡和垮塌的情況較為一致。

6 加固后堤壩數(shù)值模擬結(jié)果與分析

汛期，為保證該堤壩不潰堤，搶險時，只做了一些臨時加固措施，如下游加設(shè)排水孔和反濾層降低浸潤線、臨時加固上下游壩坡等。汛后，針對該段堤壩的險情現(xiàn)狀，擬采取堤外坡砌筑漿砌石擋墻，墻前加設(shè)混凝土防滲面板，并伸入堤基0.5 m。汛后堤壩現(xiàn)狀橫斷面、加固橫斷面及加固橫斷面有限元模型見圖7。

6.1 加固方案滲流數(shù)值模擬結(jié)果

加固后堤壩在設(shè)計水位和壩頂水位的滲流穩(wěn)定性模擬計算結(jié)果如圖8、9所示。

圖5壩頂水位狀態(tài)下抗滑穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果(高程單位：m) 圖6水位陡降狀態(tài)下抗滑穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果(高程單位：m)

圖7 加固堤壩橫剖面圖(單位：m)

由圖8和9可知，加固堤壩在壩頂水位和設(shè)計水位(保證水位)狀態(tài)下，堤壩內(nèi)坡腳高程527.7和527.5m以下范圍內(nèi)滲流坡降皆大于壩體允許滲透坡降0.4，該范圍內(nèi)堤壩會發(fā)生滲透破壞；下游壩腳壩體與堤基接觸帶上堤基滲透坡降最大分別達(dá)0.82和0.75，遠(yuǎn)大于堤基土體允許滲透坡降0.55，該壩腳接觸地帶會發(fā)生滲透破壞，這是由于堤壩和堤基中滲流會在堤內(nèi)坡腳及堤腳與堤基接觸地帶集中匯聚，水受堤壩與堤基低滲透性土體阻礙無法順暢排出，形成較大滲透力和滲透坡降。且兩個水位狀態(tài)下，堤外坡防滲面板底部與堤腳相交地帶其滲透坡降也分別達(dá)到了3.43和2.61，遠(yuǎn)大于堤基允許滲透坡降0.55，這是因?yàn)閴位c防滲面板之間存在接觸空隙，水在高水頭壓力作用下沿著接觸帶向防滲面板后面強(qiáng)透水性、大孔隙率的漿砌石匯聚，且滲流路徑極短，但由于漿砌石內(nèi)側(cè)堤壩及堤基中低滲透性、小孔隙率土體的阻礙無法向下游堤壩滲透，于是在防滲面板、漿砌石和堤基接觸地帶形成了強(qiáng)滲透力和高水力梯度。

基于上述結(jié)果，調(diào)整了加固方案，延長堤基上防滲面板的長度至3 m；漿砌石底部增設(shè)混凝土防滲墊層與防滲面板相連，并向后嵌入至墻后堤基中；漿砌石加固外坡坡腳堤基土；防滲面板、漿砌石和堤基接觸地帶設(shè)置從堤基向漿砌石由細(xì)變粗的反濾層；下游堤壩內(nèi)坡腳設(shè)置排水體或反濾層加強(qiáng)排水等的補(bǔ)充措施。對加固方案調(diào)整后的堤壩在設(shè)計和壩頂水位狀態(tài)下的滲流穩(wěn)定性重新進(jìn)行計算，其壩基土和堤壩填土中最大水力梯度分別為0.47和0.33，低于堤壩和堤基允許滲透坡降0.40和0.55?？梢姡{(diào)整后加固設(shè)計方案是可行的。調(diào)整后加固設(shè)計方案在設(shè)計水位和壩頂水位的滲流穩(wěn)定性模擬計算結(jié)果如圖8、9所示。

6.2 加固方案堤壩抗滑穩(wěn)定分析

調(diào)整加固方案后堤壩在壩頂水位和水位從壩頂水位陡降至常水位兩種狀態(tài)下的抗滑穩(wěn)定性模擬計算結(jié)果如圖12、13所示。

圖8加固后堤壩在設(shè)計水位狀態(tài)下滲流數(shù)值模擬結(jié)果 圖9加固后堤壩在壩頂水位狀態(tài)下滲流數(shù)值模擬結(jié)果

圖10調(diào)整后加固設(shè)計方案在設(shè)計水位狀態(tài)下滲流數(shù)值模擬結(jié)果 圖11調(diào)整后加固設(shè)計方案在壩頂水位狀態(tài)下滲流數(shù)值模擬結(jié)果

圖12調(diào)整后加固設(shè)計方案在壩頂水位狀態(tài)下抗滑穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果 圖13調(diào)整后加固設(shè)計方案在水位陡降狀態(tài)下抗滑穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果

由圖12和13可知，調(diào)整加固方案后堤壩在壩頂水位狀態(tài)下，上、下游堤坡穩(wěn)定性最差的圓弧滑動面穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.72和1.40，即壩頂水位狀態(tài)下堤外、內(nèi)坡皆穩(wěn)定；水位陡降(壩頂水位陡降至常水位)狀態(tài)下，上、下游堤坡穩(wěn)定性最差的圓弧滑動面穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.51和1.48，即水位陡降狀態(tài)下堤外、內(nèi)坡也是穩(wěn)定的。該計算結(jié)果表明，調(diào)整加固方案后堤壩在壩頂水位和水位陡降狀態(tài)下外、內(nèi)堤坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。調(diào)整后的加固方案是可行的。

7 結(jié) 論

本文通過對湘江某堤壩在汛期設(shè)計水位、壩頂水位以及水位由壩頂水位陡降至常水位工況下，加固前后堤壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了有限元分析研究，而且通過對汛期不同水位的實(shí)測堤壩險情情況，校正模擬計算參數(shù)，并調(diào)整加固方案，然后對設(shè)計的加固方案進(jìn)行了可行性分析。得出以下結(jié)論：

(1) 汛期堤壩在外河設(shè)計、壩頂水位狀態(tài)下，堤內(nèi)坡腳高程531.0和529.7 m以下范圍發(fā)生滲透破壞，表現(xiàn)為內(nèi)坡腳大面積散浸與集中滲漏。

(2) 堤壩在外河壩頂水位時，內(nèi)坡失穩(wěn)；水位陡降時，外坡失穩(wěn)。

(3) 加固堤壩在壩頂水位和水位陡降工況下內(nèi)、外堤坡抗滑穩(wěn)定；但在設(shè)計水位和壩頂水位時堤內(nèi)、外坡腳會發(fā)生滲透破壞，調(diào)整加固方案后重新計算，加固堤壩滿足滲流和抗滑穩(wěn)定要求，調(diào)整后的加固設(shè)計方案是可行的。

(5) 江河湖堤壩在汛期一旦失穩(wěn)，后果極其嚴(yán)重，本文僅對汛期和汛后堤壩的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，但汛期預(yù)警和搶險也極為重要，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)理論和實(shí)踐的研究。