上軟下硬型邊坡滲流特征分析

張科亮

(臨沂市河?xùn)|區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276034)

我國(guó)作為一個(gè)水利大國(guó)，在水利水電工程的修建、運(yùn)營(yíng)過程中難以避免地會(huì)遇到一些不穩(wěn)定庫岸邊坡，面對(duì)這類棘手的工程地質(zhì)難題，水利行業(yè)內(nèi)越來越多的學(xué)者、技術(shù)人員逐漸意識(shí)到，對(duì)不穩(wěn)定斜坡的變形機(jī)制進(jìn)行研究具有十分重要的意義[1-5]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)已經(jīng)做了很多研究[6-8]。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近年來，行業(yè)相關(guān)人員圍繞這類課題做的工作主要集中于以下幾個(gè)方面：以實(shí)際工程為研究背景，將施工過程和地質(zhì)體的關(guān)系耦合起來協(xié)同研究[9]。抑或者是將傳統(tǒng)的傳遞系數(shù)法與地理信息技術(shù)(如ARCGIS)相結(jié)合，不僅可解決穩(wěn)定性定量計(jì)算，還可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分區(qū)[10-11]，除了與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合越來越緊密，并進(jìn)行跨學(xué)科研究之外，還有學(xué)者將傳統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行了改良，提出了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況更為接近的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[12]，這些科研成果都在一定程度上推動(dòng)著行業(yè)的不斷革新。

本文以丁莊水庫為例，對(duì)其滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。首先通過勘查資料建立了斜坡工程地質(zhì)模型，在明確了地下水位線的基礎(chǔ)上，使用SWEEP/W模塊建立了滲流模型，通過施加水頭的方式來模擬初始水位，計(jì)算了這類型斜坡的滲流場(chǎng)，研究成果有望對(duì)類似工程提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

丁莊水庫主要位于山東省德州地區(qū)陵縣洼地處，是一座圍壩型水庫。黃河水為其提供充足的水源，通過借助潘莊干渠，使得黃河水順利流入到馬頰河中，然后，利用泵站，起到堤水入庫的作用。該水庫紐約工程主要由出庫泵站、隔壩、泄水洞組成。工程等別為三等，大壩和引水泵站建筑物等級(jí)為三級(jí)，其他建筑物均為5級(jí)，庫區(qū)面積、圍壩軸線長(zhǎng)度、總庫容量分別達(dá)到了4.86 km2、9.12 km、3 254×104m3。大壩外觀以均質(zhì)壩型為主，壩高達(dá)到了9.1 m。壩頂高程、防浪墻高和壩頂寬度分別達(dá)到了24.9 m、1.19 m、6.9 m。隔壩主要分布在入庫泵站和出庫泵站中間地帶中，壩頂高程、壩頂寬度和壩長(zhǎng)分別達(dá)到了25.9 m、9 m、969 m。在圍壩沿庫位置處，需要將黏土設(shè)置在壩腳處，總鋪蓋面積達(dá)到了50 m。

根據(jù)斜坡特征，構(gòu)建了工程地質(zhì)模型，如圖1所示，該工程地質(zhì)模型可為后文的滲流分析提供計(jì)算基礎(chǔ)。

圖1 工程地質(zhì)模型

2 穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)計(jì)算與分析

2.1 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

圖2 體積含水量(堆積體)

圖3 體積含水量(基巖)

完成了體積含水量測(cè)算后，進(jìn)行水力傳導(dǎo)率估計(jì)，估計(jì)結(jié)果見圖4～圖5。

圖4 堆積體水力傳導(dǎo)率估計(jì)結(jié)果

圖5 基巖水力傳導(dǎo)率估計(jì)結(jié)果

網(wǎng)格形狀方面，一般采用四邊形較好，但是局部幾何空間不滿足的情況，最好采用三角形單元嵌入，總之盡可能采用“總體四邊形單元，具體三角形單元”的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在明確了數(shù)值計(jì)算模型與分析方法后進(jìn)行計(jì)算。水平向傳導(dǎo)速率計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 水平向水力傳導(dǎo)速率計(jì)算結(jié)果

地下水埋深低于堆積體，未從坡體表面滲流出來，水流總體自西向東流動(dòng)，高點(diǎn)相對(duì)低點(diǎn)的流動(dòng)速率相對(duì)更小，最高點(diǎn)流動(dòng)速度達(dá)到0.05 m/s，最低點(diǎn)流動(dòng)速度約0.65 m/s，速度最大相差0.6 m/s，在右側(cè)邊界處存在速率集中的現(xiàn)象，這是由于邊界條件限制導(dǎo)致的，在實(shí)際工況中其滲流速率相對(duì)更小。

研究區(qū)的水頭和壓力水頭云圖計(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 XY向水利傳導(dǎo)速率計(jì)算結(jié)果

圖8 壓力水頭云圖

圖9 總水頭云圖

邊坡壓力水頭計(jì)算結(jié)果顯示，邊坡前緣出現(xiàn)壓力水頭集中的情況，量值達(dá)到0.002 m，河岸右側(cè)出現(xiàn)壓力水頭集中，對(duì)整體穩(wěn)定性影響較小。從總水頭云圖計(jì)算結(jié)果來看，滲流方向較為合理，與實(shí)際地下水位線基本一致，說明滲流分析計(jì)算結(jié)果具有一定的科學(xué)性和合理性，為工程施工作業(yè)的有效開展提供重要的依據(jù)和參考。

邊坡空隙水壓力計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 孔隙水壓力云圖

孔隙水壓力云圖結(jié)果顯示，邊坡的孔隙水壓力云圖分布較為規(guī)律，與重力場(chǎng)基本一致，說明該邊坡淺表生改造作用較弱，滲流方向受地形地貌、重力控制，在后續(xù)邊坡改造過程中，要尤其注意對(duì)坡體幾何形態(tài)的影響。在量值方向上來看，最大孔隙水壓大于等于180 kpa，位于坡體深部，從坡體深部到坡表孔隙水壓力逐漸變小。因此，相關(guān)人員要根據(jù)邊坡空隙水壓力變化特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水水位線的科學(xué)控制，以達(dá)到降低河谷右岸塌岸風(fēng)險(xiǎn)的目的 ，從而有效地避免傷亡事件的發(fā)生。

3 結(jié)語

本文以丁莊水庫為例，對(duì)其滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。首先通過勘查資料建立了斜坡工程地質(zhì)模型，在明確了地下水位線的基礎(chǔ)上，使用SWEEP/W模塊建立了滲流模型，通過施加水頭的方式來模擬初始水位，計(jì)算了這類型斜坡的滲流場(chǎng)，在此過程中形成了以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)本工點(diǎn)采用Geo-sweep/w中的一種名叫Fredlund估計(jì)方法，使用該方法進(jìn)行了滲流計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與實(shí)際地下水位線較溫和，說明這種方法具有準(zhǔn)確性高、計(jì)算效率高的特點(diǎn)，因此本文采用這種計(jì)算方法基本是可行的。今后在類似工程中，可充分考慮這種計(jì)算方法的可行性，以達(dá)到提高工程施工水平，縮短工程施工周期的目的。

(2)地下水埋深低于堆積體，未從坡體表面滲流出來，水流總體自西向東流動(dòng)，高點(diǎn)相對(duì)低點(diǎn)的流動(dòng)速率相對(duì)更小，最高點(diǎn)流動(dòng)速度達(dá)到0.05 m/s，最低點(diǎn)流動(dòng)速度約0.65 m/s，速度最大相差0.6 m/s，在工程實(shí)踐中，要尤其注意坡腳的滲流場(chǎng)變化，只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)庫水邊坡的滲流場(chǎng)變化有效控制，避免巖體變形現(xiàn)象的發(fā)生，從而降低滑坡突發(fā)事件出現(xiàn)的可能性，為保障人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3)邊坡的孔隙水壓力云圖分布較為規(guī)律，與重力場(chǎng)基本一致，說明該邊坡淺表生改造作用較弱，滲流方向受地形地貌、重力控制，在后續(xù)邊坡改造過程中，要尤其注意對(duì)坡體幾何形態(tài)的影響。在量值方向上來看，最大孔隙水壓大于等于180 kpa，位于坡體深部，從坡體深部到坡表孔隙水壓力逐漸變小。

總之，為了降低河谷右岸的塌岸風(fēng)險(xiǎn)，保證庫岸邊坡的穩(wěn)定性，相關(guān)人員要要以“上軟下硬型庫水邊坡”為研究對(duì)象，加強(qiáng)對(duì)其滲流特征的分析，同時(shí)，還要構(gòu)建斜坡工程地質(zhì)模型，從而更好地了解和把握地下水位線所在位置，確保地下水現(xiàn)在基巖層下方，以達(dá)到提高斜坡的穩(wěn)定性的目的，此時(shí)，水流的滲流方向會(huì)沿著斜坡中部位置流向河谷位置，此外，還要在綜合考慮河谷右岸存在塌岸風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，確保水利工程建設(shè)工作能夠正常、穩(wěn)定、有序地開展，只有這樣，才能提高水利工程施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，為提高施工單位的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益提供有力的保障。