壓實度對壩體填土力學(xué)特性影響的數(shù)值研究

李 磊

(赫章縣水投水務(wù)有限責(zé)任公司，貴州 赫章 553200)

0 引 言

我國壩體大部分為土石壩，土石壩填筑高度較高且填筑后變形大[1]。其中，壓實度對壩體填筑質(zhì)量影響較大，壓實度是影響土石壩填筑質(zhì)量的重要影響因素。因此，研究土石壩填筑安全的重點是探討壓實度對壩體力學(xué)性能的影響。

研究人員在土方填筑方面已取得一些成果。如王智超等[2-3]以某高填方多級擋土墻路堤為研究背景討論了高填方的長期沉降及變形，并通過有限元強(qiáng)度折減計算得到邊坡穩(wěn)定性最小安全系數(shù)和最危險滑動面，結(jié)果滿足邊坡穩(wěn)定性要求；吳初平[4]以某高速公路為研究背景，研究分析了泡沫輕質(zhì)土在高填方方面的應(yīng)用并取得了良好的工程效果；尹利華等[5]以蒙文硯高速公路為研究背景討論了將云南紅黏土充作大壩填料的可能性，并對云南紅黏土進(jìn)行一系列試驗研究，總結(jié)出云南紅黏土的壓實度最低為0.9；王鵬等[6]以太原市太行路某工程為例，提出基于Logistic和雙曲線結(jié)合的模型預(yù)測沉降度，結(jié)果表明模型預(yù)測值與實際工程的擬合度均高于單一Logistic模型或雙曲線模型。陳虎[7]建立了累積夯實量的壓實度計算方法，推導(dǎo)出普夯區(qū)強(qiáng)夯后路堤整體壓實度，實測數(shù)據(jù)表明該方法有較強(qiáng)的實用性。基于上述研究，本文對某大壩進(jìn)行建模分析，討論大壩在自重條件、降雨條件、地震條件和降雨-地震耦合條件下，不同壓實度下壩體的滲流和穩(wěn)定性。

1 工程概況

研究區(qū)位于云南省曲靖市會澤縣田壩鄉(xiāng)，大壩所在地區(qū)西高東低，周邊有河流，其占地面積5.53 hm2。大壩沿山而行，壩體表面不斷被水流沖刷，大氣降雨為壩區(qū)水的主要來源之一，豐水期時低陷處水聚集并迅速排至坡腳下。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。年降水量800～1 500 mm，每年6-10月份為豐水期，月平均降雨量為200 m。旱季和雨季更迭分明，對地下水的水文循環(huán)起著重要作用。大壩地理位置見圖1。

圖1 大壩衛(wèi)星地理圖

1.1 地質(zhì)情況

大壩位于山間沖溝內(nèi)，溝底分布第四系沖洪積層，巖性多為粉質(zhì)黏土，呈硬塑性狀態(tài)，第四系黏土平均厚度為7 m，呈黃褐色，呈棱角狀，無震動反應(yīng)；其下伏為玄武巖，呈灰黃色、玻璃狀結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育，孔深2～16 m時，巖心碎成沙，碎片易碎，為強(qiáng)風(fēng)化層；當(dāng)孔深為16～22 m時，巖心相對破碎，出現(xiàn)破碎、堅硬、風(fēng)化層。場地地表無軟弱土，場地兩側(cè)基巖裸露。 研究區(qū)地下水主要由孔隙水和基巖裂隙水組成，場地地勢陡峭，坡度大，有利于地下水的排水。孔隙水不易產(chǎn)生，只存在于豐水期。

1.2 地震概況

研究區(qū)地面加速度峰值為0.25 g，動力響應(yīng)譜特征周期為0.45 s，為強(qiáng)震區(qū)，強(qiáng)地震會影響大壩整體穩(wěn)定性。

2 壩體模型建立

選用大壩某典型截面，通過有限元軟件Midas·GTS/NX對壩體建立二維模型并進(jìn)行分析，流程分析圖見圖2。

圖2 流程分析圖

模型中有2 510個節(jié)點、2 438個單元。左右側(cè)分別設(shè)置90和30 m頂水頭邊界，模型示意圖見圖3。

圖3 二維模型圖

根據(jù)土工試驗數(shù)據(jù)和研究區(qū)地質(zhì)調(diào)查報告，本研究所采用的參數(shù)見表1。

表1 壩體及地基土計算參數(shù)

3 壩體穩(wěn)定性分析

3.1 壩體自重穩(wěn)定性分析

首先進(jìn)行大壩在自重下的穩(wěn)定性分析，只有在自身重量下穩(wěn)定時，才需要考慮降雨、地震等條件。因此，大壩自重下穩(wěn)定性分析是大壩穩(wěn)定性研究的第一步[8]。從孔隙水壓力、相對位移變化和剪應(yīng)變變化及安全系數(shù)4個方面考慮不同壓實度大壩的穩(wěn)定性建模分析[9]。大壩建模的初始穩(wěn)態(tài)孔隙水壓力和剪應(yīng)變見圖4、圖5及表2。

圖4 孔隙水壓力變化圖(自重條件)

圖5 相對位移變化及剪應(yīng)變變化圖(自重條件)

表2 孔隙水壓力、相對位移、剪應(yīng)變及安全系數(shù)分布表(自重條件)

綜合分析可知，在不同壓實度下，壩體整體保持穩(wěn)定，即Fst≥1.25；壩體部分處于非飽和狀態(tài)，孔隙水滲流主要發(fā)生在壩體和粉質(zhì)黏土中?？紫端畨毫Φ戎稻€呈平行狀態(tài)，與調(diào)查情況一致；壩體的相對位移和最大剪應(yīng)變隨著壓實度的增加而減小，安全系數(shù)與壓實度呈正相關(guān)關(guān)系。

3.2 降雨條件穩(wěn)定性分析

從降雨條件進(jìn)行應(yīng)力滲流耦合分析，對壩體抵抗降雨程度進(jìn)行研究[10]。本研究采用兩種降雨條件分析降雨對壩體穩(wěn)定性的影響，見表3。

表3 降雨條件

該模型從3個角度分析大壩的穩(wěn)定性，即相對位移、最大剪應(yīng)變和安全系數(shù)。分析結(jié)果見圖6-圖7及表4-表5。

圖6 相對位移圖(降雨條件)

圖7 最大剪應(yīng)變圖(降雨條件)

表5 安全系數(shù)表(降雨條件)

續(xù)表5

由圖6和圖7可以得出，在一致壓實條件下，在暴雨條件下孔隙水壓力變化較快，同時降雨強(qiáng)度高于大壩滲透系數(shù)，雨水沿坡面產(chǎn)生徑向流，最后匯集于坡腳，坡腳應(yīng)力增大，進(jìn)一步導(dǎo)致大壩位移和應(yīng)變增大；在相同降雨條件下，大壩滲透系數(shù)與壓實度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)致大壩內(nèi)部水的入滲量減少，大壩的相對位移和剪應(yīng)變減?。挥杀?可知，單位時間的降雨強(qiáng)度與壓實程度一致。對大壩的穩(wěn)定性影響較大，暴雨條件導(dǎo)致壩體短時間內(nèi)迅速飽和，壩體自重增加，最終大壩穩(wěn)定性下降速度比大雨條件快；當(dāng)壓實度為40%和50%時，出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)，即Fst≤1.05。

3.3 地震條件穩(wěn)定性分析

采用擬靜力法討論大壩在地震條件下的穩(wěn)定性，從應(yīng)變、位移、安全系數(shù)3個方面進(jìn)行分析。分析結(jié)果見圖8和表6。

圖8 相對位移及剪應(yīng)變圖(地震條件)

表6 相對位移、剪應(yīng)變及安全系數(shù)表(地震條件)

根據(jù)圖8和表6可知，在地震工況下，壓實度為50%～80%時大壩整體保持穩(wěn)定，即Fst≥1.05；壩體穩(wěn)定性、安全系數(shù)與壓實度呈正相關(guān)，相對位移和最大剪應(yīng)變與壓實度呈負(fù)相關(guān)。

3.4 降雨-地震耦合條件穩(wěn)定性分析

降雨、地震均對大壩的力學(xué)參數(shù)有重要影響。本研究考慮降雨與地震同時發(fā)生，建立雨震耦合條件，并據(jù)此進(jìn)行建模分析，得出雨震耦合條件下大壩的孔隙水壓力、應(yīng)變、位移和安全系數(shù)。研究區(qū)所在地區(qū)地震烈度為Ⅷ度，地震動響應(yīng)譜特征周期為0.45 s；降雨條件選定大雨條件。雨震耦合條件下大壩應(yīng)變、位移和安全系數(shù)分布見圖9和表7。

圖9 相對位移及剪應(yīng)變圖(降雨-地震耦合條件)

表7 相對位移、剪應(yīng)變及安全系數(shù)表(降雨-地震耦合條件)

由圖9和表7可知，大壩在雨震耦合條件下，壩體相對位移、最大剪應(yīng)變、相對位移與壓實度呈負(fù)相關(guān)；壩體整體安全系數(shù)與壓實度呈正相關(guān)。但在此條件下，當(dāng)壩體壓實度為40%和50%時，安全系數(shù)難以保證高于1.05，即壩體整體穩(wěn)定性難以保證。

4 不同條件穩(wěn)定性分析

在大壩穩(wěn)定性分析中，將5種分析工況全部考慮在內(nèi)，比較5種條件下的相對位移、剪應(yīng)變和安全系數(shù)變化趨勢。見表8-表10。

表8 相對位移分布表

表9 剪應(yīng)變分布表

表10 安全系數(shù)分布表

由表8-表10可知：

1) 在雨震耦合條件下，大壩相對位移及最大剪應(yīng)變較其他4種條件最大，孔隙水壓力下降速度最快；在壓實度相同的情況下，相對位移及最大剪應(yīng)變按雨震耦合條件、地震條件、暴雨條件、大雨條件、自重條件依次降低；隨著壓實度的增加，5種條件下大壩穩(wěn)定性與壓實度呈正相關(guān)關(guān)系。

2) 在自重和地震條件下，大壩的安全系數(shù)與壓實度呈正相關(guān)關(guān)系；自重條件下，大壩可保持整體穩(wěn)定性；在地震條件下，壓實度為40%時，壩體部分失穩(wěn)；大雨條件、暴雨條件和雨震耦合條件下，大壩的安全系數(shù)與壓實度正相關(guān)，且壓實度大于55%時，大壩能滿足穩(wěn)定性要求，即壓實度為40% 和 50%時，大壩部分失穩(wěn)；安全系數(shù)按自重條件、大雨條件、暴雨條件、地震條件、雨震耦合條件依次降低。

5 結(jié) 論

本研究討論了自重、大雨、暴雨、地震和雨震耦合5種條件下不同壓實度下大壩穩(wěn)定性的變化，主要結(jié)論如下：

1) 壩體整體相對位移與最大剪應(yīng)變變化規(guī)律一致，均隨著壓實程度的增加而減小。在相同壓實度下，相對位移和最大剪應(yīng)變按雨震耦合條件、地震條件、暴雨條件、大雨條件、自重條件依次降低。

2) 同等條件下，壩體安全系數(shù)隨壓實程度的增大而增大；相同壓實度下，安全系數(shù)按自重條件、暴雨條件、大雨條件、地震條件、雨震耦合條件逐漸降低。

3) 當(dāng)?shù)卣鸸r壓實度為50%及以上時，大壩整體保持穩(wěn)定，雨震耦合條件、地震條件、暴雨條件均的壓實度為60%及以上時，大壩整體保持穩(wěn)定。