水位快速升降對土壩穩(wěn)定性的影響研究

歐明遠(yuǎn)

(貴州三策工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，貴州 貴陽 550081)

土壩的穩(wěn)定性受很多因素的影響[1]。管涌侵蝕通常會降低土壩的穩(wěn)定性；水位升降及其與土體的相互作用在壩體內(nèi)形成一條浸潤線，對土壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有不利的影響[2]。合理設(shè)定水位下降速度、降幅及放空可能性，對設(shè)計(jì)及水庫安全運(yùn)行至關(guān)重要[3]。

因此，需要分析水位上升和驟降對土壩結(jié)構(gòu)的影響。在以往的研究中，試驗(yàn)裝置常用排水滲水箱[4]，而本文采用的是土壩的三維物理模型，該模型配有變形傳感器、水位計(jì)和土壤水分傳感器。研究分析包括水位升降、壩坡坡度和壩體土體組成等影響因素對土壩穩(wěn)定性的影響。

1 研究方法

根據(jù)貴州某小型水庫壩體的尺寸進(jìn)行概化縮放得到本次試驗(yàn)土壩模型，本研究僅考察水位波動對土壩邊坡穩(wěn)定性的影響[5]。由于使用的壩體材料與該水庫不同，因此，本研究的結(jié)果并不代表此水庫的實(shí)際情況。

模型試驗(yàn)的水槽長600 cm、寬150 cm、高50 cm，鋪設(shè)土壩模型的砂土粒徑為0.07～4.75 mm。土壩模型高40 cm，壩頂寬30 cm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳嫌纹露仍O(shè)置為1∶1.0和1∶1.5兩種，而下游坡度均設(shè)置為1∶1。土壩模型的組成成分有三種：(1)100 %砂質(zhì)粉土。(2) 90%砂∶10%砂質(zhì)粉土。(3) 80%砂∶20%砂質(zhì)粉土。圖1為土壩模型試驗(yàn)布置示意圖。

在壩體內(nèi)，安裝了6個土壤水分傳感器、1個變形傳感器、3個千分表和1個水位計(jì)。上游配有兩個管道，用于在進(jìn)行快速水位下降試驗(yàn)時進(jìn)行配水；在下游，安裝了一個管道，用于排水和蓄水控制。試驗(yàn)過程中，人工觀察監(jiān)測水位的升降情況，并測量實(shí)時流量。

水位升降是分階段模擬的，每組試驗(yàn)都有所不同。在試驗(yàn)過程中，監(jiān)測壩體的變形情況，直到上游或下游的斜坡由于水位的快速上升和下降而坍塌，觀察并記錄坍塌的過程。此外，還進(jìn)行了不同條件下的分析，以研究水位升降、上游坡度和壩體材料組成對大壩變形和穩(wěn)定性的影響。并利用Plaxis 2D應(yīng)力-變形分析程序?qū)Υ髩谓Y(jié)構(gòu)的變形和安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 土壩的滲流試驗(yàn)

動水壓力對壩體穩(wěn)定性有很大影響。如果壩體內(nèi)出現(xiàn)的滲透壓力大于等于臨界值，就會引起細(xì)土顆粒的運(yùn)動，導(dǎo)致地下出現(xiàn)管涌，這種情況會降低大壩穩(wěn)定性，造成滑坡等危害。

在滲流試驗(yàn)中，上游的水位變化是分階段進(jìn)行的，并由閥門控制。采用萊恩法對加權(quán)蠕變比(WCR)的管涌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，計(jì)算了上下游水位高差和通過壩體底部的浸潤線長度(Lw)，結(jié)果見表1。

表1 不同條件下的WCR計(jì)算結(jié)果

本次試驗(yàn)的WCR臨界值為2，若WCR<2，則說明土壩穩(wěn)定性差，會發(fā)生崩塌破壞；若WCR>2，則認(rèn)為壩體穩(wěn)定性好，不會發(fā)生破壞。根據(jù)表1，上游水位在160～170 mm范圍內(nèi)時WCR>2，因此，土壩不會因管涌而產(chǎn)生滑坡破壞。而當(dāng)上游水位上升到300 mm時所有工況都存在發(fā)生管涌破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

上游水位越高，WCR越低，這表明土壩模型更容易因管涌而產(chǎn)生滑坡風(fēng)險(xiǎn)。下游的坡度也會影響WCR。通過減小坡度，浸潤線長度會變長，Lw的值會更大。因此，在上游水位相同的情況下，上游壩坡的坡度越小則WCR越大。

2.2 水位升降對土壩的影響試驗(yàn)

2.2.1 土壩對水位快速上升的響應(yīng)

上游水位的快速上升對土壩模型的穩(wěn)定性有重要影響。滑坡始于大壩模型底部的滲漏，隨著上游水位的升高，滲漏量會越來越大。這是由于孔隙水壓力的增加導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致滑坡。壩坡的穩(wěn)定性用安全系數(shù)(SF)表示，安全系數(shù)用摩根斯坦-普萊斯法的極限平衡法(LEM)確定。

上游水位快速上升時，下游邊坡更容易發(fā)生滑坡。上游坡度的兩種變化具有幾乎相似的安全系數(shù)，即上游水位為20 mm時，安全系數(shù)值范圍為0.80～1.10。當(dāng)水位上升至300 mm時，安全系數(shù)將降至0.75以下。兩個模型的下游都出現(xiàn)了破壞。圖2顯示了由于上游水位上升，下游邊坡的安全系數(shù)降低。

圖2 水位上升引起的上游邊坡安全系數(shù)變化

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)結(jié)果符合良好。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上游水位上升時所有模型的安全系數(shù)均降低至臨界值以下(SF< 1.00)，即壩坡不穩(wěn)定。實(shí)際情況也是如此，所有物理模型都發(fā)生了不同程度的破壞，破壞程度受上游坡度和水位上升速率的影響。

2.2.2 大壩對水位快速下降的響應(yīng)

水位驟降時，土壩模型的上游壩坡發(fā)生變形和裂縫。水位驟降的破壞過程始于上游壩坡表面土壤顆粒的運(yùn)動，然后加劇侵蝕，然而，并沒有發(fā)生滑坡。不同上游坡度的模型對水位驟降的響應(yīng)不同。上游水位快速下降期間安全系數(shù)的變化如圖3。

圖3 水位驟降引起的上游邊坡安全系數(shù)變化

如圖3，上游水位的快速下降增加了滑坡風(fēng)險(xiǎn)，表現(xiàn)為安全系數(shù)顯著降低。在進(jìn)行快速水位下降之前，當(dāng)水位為300 mm時，上游斜坡的安全系數(shù)為1.00～1.60。水位降至180 mm后，所有工況下的大壩模型的安全系數(shù)均低于1.00。同時，邊坡傾角越小，大壩模型的穩(wěn)定水平越高。

用LEM法計(jì)算安全系數(shù)的結(jié)果與試驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)的結(jié)果相比有差異。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，所有模型的安全系數(shù)均小于1.00。但是在物理模型中，由于上游水位快速下降，并沒有發(fā)生滑坡。然而，在水位驟降過程中，上游坡面土壤顆粒向下移動。

2.3 大壩變形

壩體模型因自重而產(chǎn)生的最大垂直變形發(fā)生在上游坡度為1∶1.5的100%砂質(zhì)粉土壩模型上。在上游水位上升的模擬中，最大總位移為1.69×10-5m，出現(xiàn)在100%砂質(zhì)粉土壩模型的上升三期(從150 ～300 mm)坡度為1∶1.0。圖4顯示了坡度為1∶1.0和1∶1.5的100%砂質(zhì)粉土在不同上升階段的總位移(U總)。位移方向由箭頭表示，而總位移的大小由箭頭長度表示。

圖4 不同上升階段的土壩(100%砂質(zhì)粉土)總位移U總

上游水位驟降模擬中，位移值為1.10×10-5～ 6.48×10-5m，上游坡度為1∶1.5的100%砂質(zhì)粉土壩模型中的應(yīng)變值增量為-1.75×10-2%。此外，有效應(yīng)力值為7.35～9.75 kN/m2。80%砂∶20%砂質(zhì)粉土組成的模型的總位移增量(dU總)如圖5所示。圖5和圖6中的箭頭方向和幅度表明，在水位快速下降期間，上游邊坡容易發(fā)生變形?？梢钥闯觯?0%砂∶20%砂質(zhì)粉土組成的總位移增量值高于100%砂質(zhì)粉土的總位移增量值。

圖5 坡度為1∶1.0的80%砂∶20%砂質(zhì)粉土模型在快速下降過程中的總位移增量dU總= 1.11×10-6 m

圖6 坡度為1∶1.0的100%砂質(zhì)粉土模型在快速下降過程中的總位移增量dU總 = 6.95×10-7m

從試驗(yàn)室觀測和計(jì)算結(jié)果可以得到相似的結(jié)果，即彈性模量越低的模型位移越大。在室內(nèi)試驗(yàn)中，砂質(zhì)粉土成分越高的模型，砂土成分越小，彈性模量越小，其位移越大。

3 結(jié) 論

壩體的滲流導(dǎo)致組成土壩的砂質(zhì)粉土和砂粒向下游滲流方向移動。這種運(yùn)動可能會導(dǎo)致壩體變形。壩體變形分析采用應(yīng)力變形分析法。對于位移(垂向位移、總位移、總位移增量和增量應(yīng)變)，最大值通常出現(xiàn)在上游坡度為1∶1.0的100%砂質(zhì)粉土模型中。這表明，這四個參數(shù)值符合砂質(zhì)粉土的組成，并將隨著模型上游坡度的減小而減小。

對于應(yīng)力分析(有效應(yīng)力和總應(yīng)力)，最高值出現(xiàn)在成分為80%砂∶20%砂質(zhì)粉土的模型中。一般來說，有效應(yīng)力和總應(yīng)力的值隨著上游坡度的減小而減小。同時，100%砂質(zhì)粉土組成的模型安全系數(shù)最低。

大壩模型中的滲流流量不受下游坡度的影響，可以通過減小上游壩坡的坡度，增大WCR值，提高壩體穩(wěn)定性。在上游水位相同的情況下，坡度越緩，壩體的WCR值越大，壩體越穩(wěn)定。