黏土心墻壩壩坡滲透穩(wěn)定性敏感性分析

王 楠

(國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077)

水庫水位驟降對土石壩壩坡穩(wěn)定性的有著重要影響[1- 2]，庫水位下降導(dǎo)致上游壩坡的水壓卸載，對邊坡的下滑抗力減弱[3]，同時，由于壩坡內(nèi)部的孔壓“滯后”效應(yīng)[4]，使得上游壩坡的下滑力加劇，導(dǎo)致上游壩坡的危險性進(jìn)一步增大。壩坡失穩(wěn)導(dǎo)致水工建筑物的永久損壞，嚴(yán)重威脅周邊居民的人身財產(chǎn)安全，所以，針對庫水位驟降下的滑坡滲透穩(wěn)定性的研究的重要性則是不言而喻的。

對于庫水位驟降下的邊坡穩(wěn)定性規(guī)律的研究較多，孫陽[5]對庫水位驟降下的高面板堆石壩面板脫空的影響規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)庫水位下降速率越大，面板脫空程度越大；齊小靜[6]利用有限差分軟件FLAC3d，基于強(qiáng)度折減法對庫水位驟降下的土石壩的失穩(wěn)判據(jù)進(jìn)行了研究；尹吉娜[7]考慮黏土的非線性及滲透特性，通過有限元法開展了壩體在水位變動下滲流場及穩(wěn)定性研究；張繼勛[8]考慮了土工膜壩的土工膜缺陷的影響，利用Geostudio軟件對庫水位下降下的土工膜壩安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。但是以上研究僅僅針對特定的工況或者特定的壩體材料參數(shù)進(jìn)行分析，卻缺少對不同參數(shù)或者邊界條件變動下的穩(wěn)定性敏感性的分析。

本文基于某黏土心墻壩，利用Geostudio軟件對壩體不同參數(shù)變動及不同庫水位驟降速率下的壩坡滲透穩(wěn)定規(guī)律進(jìn)行了模擬，利用正交試驗分析法對不同參數(shù)變動進(jìn)行了敏感性分析，得到了影響壩坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素的定量化排序，研究結(jié)果為認(rèn)識庫水位驟降下的壩坡穩(wěn)定性規(guī)律及災(zāi)害的防治提供了一定的參考。

1 計算理論

1.1 非飽和計算原理

非飽和滲流微分方程為：

(1)

式中，kr—透水率；kij—滲透張量；hc—水頭；Q—源匯；C(hc)—容水度；θ—水頭函數(shù)；n—孔隙率；Ss—單位貯水量。

1.2 非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論

非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論如下所示：

(2)

1.3 正交試驗分析法

正交試驗法是基于數(shù)理統(tǒng)計方法，選擇具有代表性的工況進(jìn)行敏感性分析的一種方法，具有均衡分散性和整齊可比性2大特點，可以較少的試驗次數(shù)反映事物的客觀變化規(guī)律[9]。

2 計算模型及邊界

2.1 計算模型

某典型黏土心墻壩正常蓄水位為152m，死水位125m，壩頂高程156.20m，最大壩高51.70m。計算模型及模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1(a)為本文的計算模型，由上游壓重，壩體，心墻，過渡層，排水棱體，壩基土及基巖組成。圖1(b)為本文的模型網(wǎng)格圖，心墻處進(jìn)行了細(xì)化處理。一共剖分為3126個單元，3379個節(jié)點。

2.2 邊界條件

邊界條件設(shè)置如下：acf為庫水位驟降邊界，由正常蓄水位152m高程驟降至死水位125m高程；hij為自由滲出邊界；efgh為降雨入滲邊界，本文假設(shè)壩坡坡面不積水；jk、ab及ak為不透水邊界。

3 材料參數(shù)的設(shè)置

材料參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗綜合勘察確定，詳見表1。

4 正交試驗工況設(shè)置

影響壩坡穩(wěn)定性的因素主要分內(nèi)因與外因，其中內(nèi)因包括材料的滲流力學(xué)特性，本文為方便計算，選取壩體材料中的黏聚力與內(nèi)摩擦角2個參數(shù)參與正交試驗分析，考慮其空間變異性，黏聚力的變動范圍取為5.6～17.6kPa，內(nèi)摩擦角的變動范圍為5.2°～10.6°。同時，諸如庫水位驟降及降雨是影響壩坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵性外因，本文也予以考慮，庫水位驟降速率根據(jù)多年的運行工況，變動范圍取為0.5～2m/d，而降雨強(qiáng)度，則根據(jù)多年的水文地質(zhì)資料，選取范圍為0.01～0.04m/d，降雨天數(shù)平均設(shè)置為4d。

表1 壩體材料力學(xué)參數(shù)

由表2可見，在本文的計算工況下，降雨與庫水位(外因)的極差較之壩體材料參數(shù)的黏聚力與內(nèi)摩擦角要小，說明對于一座粘土心墻壩而言，最重要的是保證壩體材料的高質(zhì)量填筑，其中值得注意的地方是黏聚力的影響程度大小為0.49157，要略大于內(nèi)摩擦角，而降雨強(qiáng)度的影響也達(dá)到了0.359，說明降雨強(qiáng)度對于壩體的影響也是不容忽視的，在雨季要加強(qiáng)大壩的巡查與排水力度，而庫水位因素則是影響最小的。綜合以上分析及敏感性結(jié)果，可以得出，影響?zhàn)ね列膲蔚挠绊懸蛩嘏判驗轲ぞ哿Α輧?nèi)摩擦角≥降雨強(qiáng)度≥庫水位驟降速率。

圖1 計算模型及模型網(wǎng)格

表2 敏感性分析正交試驗表

5 結(jié)論

本文通過正交試驗敏感性分析，發(fā)現(xiàn)了壩體材料的黏聚力與內(nèi)摩擦角對于壩體穩(wěn)定性的影響要大于降雨及庫水位等外部因素影響，說明對于黏土心墻壩而言，保證施工質(zhì)量是壩體安全穩(wěn)定運行的前提。運用正交試驗分析法，可以以較少的試驗次數(shù)反映事物的客觀變化規(guī)律，具有一定的指導(dǎo)作用，但正交試驗更偏向于理論計算，如何更好地將理論計算結(jié)果結(jié)合到工程實際安全當(dāng)中，還需要開展進(jìn)一步研究。