庫(kù)水位驟降下混凝土防滲墻對(duì)心墻土石壩滲流穩(wěn)定的影響

黃秀文

(中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400)

1 概 述

心墻土石壩是我國(guó)最廣泛使用的壩型，其結(jié)構(gòu)主要由防滲心墻、過渡料、壩體上下游堆石料組成。其中，心墻是土石壩最為關(guān)鍵的部位之一，其施工質(zhì)量的好壞直接影響壩體的正常運(yùn)行和滲流穩(wěn)定。心墻若出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，壩體的滲流量會(huì)變大，壩坡浸潤(rùn)線會(huì)升高，壩體土料的抗剪強(qiáng)度下降，壩體穩(wěn)定性將減小。由于壩體土料具有非飽和滲流特性，在庫(kù)水位驟降時(shí)，壩體浸潤(rùn)線的改變會(huì)產(chǎn)生明顯的“滯后”現(xiàn)象[1-4]，壩體內(nèi)部孔隙水將產(chǎn)生較大的滲透壓力，對(duì)壩體整體穩(wěn)定性極為不利。韓國(guó)波等[5]以大伙房水庫(kù)土石壩為例,在不同水位降速情況下對(duì)土石壩坡面進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),水位降速越快損傷越嚴(yán)重,控制水位下降速度和幅度可有效規(guī)避損傷的發(fā)生。王東林[6]等研究了不同庫(kù)水位降落速度、壩體滲透系數(shù)和給水度條件下均質(zhì)土壩非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的變化規(guī)律，得出壩體穩(wěn)定性受水位變化的敏感程度與心墻滲透系數(shù)的大小有關(guān)。岳慶河等[7]研究發(fā)現(xiàn)不同水位降落速度對(duì)較小飽和滲透系數(shù)的土石壩滲流場(chǎng)及邊坡穩(wěn)定性影響程度較小,對(duì)較大滲透系數(shù)的壩體則影響較大。蘇正洋等[8]采用數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，壩體上游壩坡對(duì)庫(kù)水位變化較下游壩坡更為敏感。目前，較多學(xué)者對(duì)水位變化下壩體的滲流穩(wěn)定進(jìn)行了研究，但對(duì)如何提高土石壩穩(wěn)定性的研究則較少。

本文通過對(duì)比研究混凝土防滲墻設(shè)置前后，土石壩在庫(kù)水位驟降情況下的非飽和滲流和穩(wěn)定特性，進(jìn)一步揭示在最不利運(yùn)行情況下，防滲墻對(duì)心墻的“縱向增強(qiáng)”效果，為工程提供一定參考。

2 計(jì)算原理及參數(shù)

2.1 非穩(wěn)定滲流計(jì)算理論

一般認(rèn)為，土石壩浸潤(rùn)線以下土體達(dá)到飽和狀態(tài)，其滲透系數(shù)不會(huì)因?yàn)橥馏w含水量的變化而改變，浸潤(rùn)線以上土體存在非飽和狀態(tài)，其滲透系數(shù)是土體含水量和基質(zhì)吸力的函數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]，非飽和滲流的基本微分方程為：

(1)

式中：H為總水頭；kx為X方向的滲透系數(shù)；ky為Y方向滲透系數(shù)；kz為Z方向的滲透系數(shù)；Q為流量；Θ為體積含水率；t為時(shí)間。

2.2 非飽和特性函數(shù)

土料的非飽和特性函數(shù)包括含水率函數(shù)和滲透系數(shù)函數(shù)[10]。本文采用Van Genuchten提出的函數(shù)作為土體的非飽和特性函數(shù)，土體含水率隨基質(zhì)吸力的變化關(guān)系可表示為：

(2)

式中：θw為體積含水率；θr為殘余體積含水率；θs為飽和體積含水率；ψ為基質(zhì)吸力；a、n、m為通過非飽和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線預(yù)測(cè)的試驗(yàn)常數(shù)。

土體含水率函數(shù)可用下式估算：

(3)

式中：kw為指定基質(zhì)吸力計(jì)算所得的滲透率；ks為飽和滲透系數(shù)；a、n、m為通過非飽和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線預(yù)測(cè)的試驗(yàn)常數(shù)。

土石壩心墻、反濾層、堆石體土料的含水率函數(shù)和滲透系數(shù)函數(shù)曲線見圖1和圖2。

圖1 體積含水率函數(shù)

圖2 滲透系數(shù)函數(shù)

2.3 有限元模型及參數(shù)

心墻土石壩典型剖面壩高50 m，上下游壩坡坡率采用1∶2.5。壩頂高程為372 m，壩底高程為322 m。土體采用M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則，混凝土采用彈性強(qiáng)度準(zhǔn)則。模型地基長(zhǎng)300 m，高50 m，混凝土防滲墻厚度設(shè)置為0.8 m，插入地基深5 m。心墻土石壩計(jì)算模型見圖3，混凝土防滲墻加固后的計(jì)算模型見圖4，模型物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 心墻土石壩計(jì)算模型

圖4 混凝土防滲墻土石壩計(jì)算模型

表1 物理力學(xué)參數(shù)

3 加固前后效果分析

3.1 滲流分析

庫(kù)水位下降速度設(shè)為5 m/d，降水起始水位高程為370 m，降水過程持續(xù)6 d。圖5和圖6分別為混凝土防滲墻加固前后土石壩的浸潤(rùn)線。從圖5和圖6中可以看出，庫(kù)水位驟降時(shí)，壩體內(nèi)部的孔隙水不能及時(shí)排出，加固前后心墻內(nèi)部的浸潤(rùn)線均有不同程度的上升趨勢(shì)。對(duì)于未設(shè)置混凝土防滲墻的心墻，其孔隙水壓力明顯高于壩體堆石料的孔隙水壓力，浸潤(rùn)線至心墻處向上“凸起”的情況較為顯著；設(shè)置混凝土防滲墻后，心墻孔隙水壓力不斷減小，浸潤(rùn)線在心墻內(nèi)的高度開始降低，浸潤(rùn)線“凸起”的現(xiàn)象有所緩解。

圖5 加固前石壩浸潤(rùn)線

圖6 加固后土石壩浸潤(rùn)線

圖7和圖8分別為防滲墻加固前后心墻的滲透坡降。加固前，高程370 m處心墻的滲透比降在降水開始一天后達(dá)到峰值1.02，高程355 m處的心墻坡降隨著降水時(shí)間先減小后陡增再逐漸減小，在降水第四天滲透坡降達(dá)到峰值0.6；高程343 m處的心墻滲透坡降隨著降水時(shí)間逐漸減小，但在降水最后一天陡增，達(dá)到最大值1.3?；炷练罎B墻設(shè)置后，心墻滲透坡降隨降水時(shí)間的推移變化幅度變小，高程370、355和343 m處的心墻滲透坡降峰值分別為0.65、0.51和0.67。這是因?yàn)榧庸糖埃瑤?kù)水位的驟降導(dǎo)致心墻中的孔隙水向上游庫(kù)區(qū)發(fā)生滲流，滲透坡降不斷增大；隨著降水時(shí)間的推移，心墻內(nèi)的孔隙水不斷排出，滲透比降逐漸降低。

圖7 加固前心墻滲流坡降

圖8 加固后心墻滲流坡降

3.2 位移分析

圖9和圖10分別為加固前后壩頂上下游變形隨時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖9和圖10可知，隨著庫(kù)水位的降低，上下游壩頂變形開始不同程度的增加。加固前，壩頂上游最大變形量為11.2 cm，壩頂下游變形量為9.7 cm；加固后，壩頂上下游變形量分別為9.7和1 cm，上下游變形差異較為明顯。這說明混凝土防滲墻與地基形成整體，當(dāng)庫(kù)水位驟降時(shí)，防滲墻一方面阻止心墻中的孔隙水壓力向庫(kù)區(qū)滲流，從而減小心墻滲透水壓力；另一方面又充當(dāng)擋土墻作用，限制了下游壩體向上游發(fā)生變形。

圖9 壩頂上游變形

圖10 壩頂下游變形

3.3 壩坡穩(wěn)定性分析

圖11和圖12為加固前后上游壩坡的有效塑性應(yīng)變；表2為穩(wěn)定滲流階段和降水階段上游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算得到的安全系數(shù)。加固前，上游壩坡塑性應(yīng)變從壩頂?shù)綁沃沸纬梢粭l貫通的塑性區(qū)，壩坡極有可能沿著塑性區(qū)向上游發(fā)生滑移，此時(shí)上游壩坡的穩(wěn)定滲流階段和降水階段的安全系數(shù)分別為1.65和1.22；混凝土防滲墻加固后，上游壩坡的塑性貫通區(qū)消失，塑性區(qū)明顯減少，壩坡穩(wěn)定滲流和降水階段的安全系數(shù)分別提高為2.30和2.01，壩體更加趨于穩(wěn)定。

圖11 加固前上游壩坡有效塑性應(yīng)變

圖12 加固后上游壩坡有效塑性應(yīng)變

表2 上游壩坡穩(wěn)定系數(shù)

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)混凝土防滲墻加固前后的土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行有限元計(jì)算分析，結(jié)論如下：

1) 加固前，由于土石壩心墻內(nèi)部孔隙水壓力消散速度比庫(kù)水位下降速度慢，心墻內(nèi)部浸潤(rùn)線呈“上凸”狀，心墻最大滲透坡降達(dá)到1.3；加固后，壩體防滲性增強(qiáng)，心墻對(duì)庫(kù)水位變化的敏感性降低，滲透壓力大幅度減小，最大值為0.67。

2) 加固前，壩體會(huì)隨著降水時(shí)間向上游發(fā)生較大變形，壩頂上下游最大變形量分別為0.11和0.09 m；加固后，混凝土防滲墻與地基形成整體，起到了“擋土墻”的作用，下游壩殼的變形得到有效限制，最大值變形量降為0.01 m。

3) 加固前，水位驟降導(dǎo)致壩頂?shù)綁沃诽幮纬梢粭l貫通的塑性區(qū)，壩體極易失穩(wěn)，上游壩坡抗滑安全系數(shù)為1.22；加固后，塑性貫通區(qū)消失，壩體整體穩(wěn)定性增強(qiáng)，上游壩坡抗滑安全系數(shù)為2.01。