某均質(zhì)土壩加固后沉降變形及滲流穩(wěn)定分析

程華進(jìn)，王亞妮，李磊，樊鑫

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 引言

某水庫總庫容802.6萬m3，經(jīng)多年運(yùn)行，淤積嚴(yán)重，實(shí)測(cè)已淤積庫容573.0萬m3。水庫防洪能力低于規(guī)范要求，如遭遇較大降雨，威脅下游村鎮(zhèn)安全。水庫的壩體在前期施工過程中，施工質(zhì)量不滿足規(guī)范要求，壩頂有明顯的不均勻沉降；壩體有裂縫發(fā)展，壩后有明顯的滲漏情況；另外水庫的管理運(yùn)行能力較差，不能正常運(yùn)行和管理；水庫主壩缺少位移、滲流等監(jiān)測(cè)措施，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失，整體安全存在一定隱患。

為解決水庫存在的上述問題，對(duì)土石壩進(jìn)行了加高加固。以加高后的土壩為研究對(duì)象，對(duì)大壩運(yùn)行期滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)、壩坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)壩體運(yùn)行期的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析。結(jié)合試驗(yàn)及仿真計(jì)算成果，對(duì)大壩蓄水及運(yùn)行管理方式提出合理建議。

2 變形、滲流穩(wěn)定基本理論

2.1 鄧肯-張E-B模型

鄧肯-張模型中，切線彈性模量表達(dá)式為[1，2]：

式中：c為土體黏聚力（kPa）；φ為土體內(nèi)摩擦角（°）；pa為大氣壓力（kPa）；Rf為破壞比；σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力（kPa）；K、n為試驗(yàn)參數(shù)。

由體變模量B表示的泊松比為：

式中：Kb、m為模型擬合參數(shù)；其余變量含義同上。

對(duì)卸荷采用下述方法判別：當(dāng)σ1-σ3<（σ1-σ3）0且S

對(duì)卸荷情況，彈性模量用下式計(jì)算[5]：

式中：Kur為模型擬合參數(shù)；其余變量含義同上。

計(jì)算中，土石料的內(nèi)摩擦角均假定滿足非線性的強(qiáng)度公式[6，7]：

在土石壩靜力計(jì)算中，使用了上述經(jīng)典的鄧肯-張E-B模型。

2.2 滲流微分方程

二維滲流的一般控制微分方程可以表達(dá)為[8，9]：

式中：H為總水頭（m）；kx為x方向的滲透系數(shù)（cm/s）；ky為y方向的滲透系數(shù)（cm/s）；Q為施加的邊界滲流（m3/s）；θ為單位體積含水量（m3）。

2.3 Morgenstern-Price法

Morgenstern-Price方法從力和力矩的平衡出發(fā)，推導(dǎo)出了平衡微分方程式[10-12]。該方法同時(shí)滿足力和力矩的平衡，在滑坡穩(wěn)定分析領(lǐng)域得到了工程師和學(xué)者們的大量使用。

3 計(jì)算模型與基本參數(shù)

原壩體建基面高程1587.5 m，壩頂高程1630.6 m，壩體高43.1 m。壩前坡比為1∶2.5，壩后坡比為1∶2.0。淤積土高程1625 m，上游填土為土石壩壩前基于淤積面高程1625 m加高至新壩頂1638.1 m高程，加高13.1 m；下游壩坡面從建基面1587.5 m加高至老壩體壩頂1630.6 m高程，加高43.1 m。新壩體壩前坡比為1∶3.0，壩后坡比為1∶2.5。坐標(biāo)系Y軸原點(diǎn)位于老壩體建基面上，X軸原點(diǎn)位于壩頂上游面頂點(diǎn)上游172 m處。壩頂Y坐標(biāo)為50.6 m。

壩體加高方案為：壩前土石壩基于淤積面高程1625 m加高至新壩頂1638.1 m高程，加高13.1 m，分15層加高，前14層每層高度是0.9 m，第15層高度是0.7 m；下游壩坡面從建基面1587.5 m加高至老壩體壩頂1630.6 m高程，加高43.1 m，分14層加高，每層高度約為3.08 m。先進(jìn)行壩后加固然后再進(jìn)行壩前加固。壩體整體模型，如圖1所示。地基底部豎直向約束，地基兩側(cè)法向約束。坐標(biāo)系Y軸原點(diǎn)位于老壩體建基面上，X軸原點(diǎn)位于壩頂上游面頂點(diǎn)向上游172 m處。壩頂Y坐標(biāo)為50.6 m。

圖1 大壩整體有限元模型

計(jì)算時(shí)采用的E-B模型參數(shù)，詳見表1—3。原壩體分為2個(gè)區(qū)域，分別采用試件20-1和30-1的參數(shù)；新壩體壩后填土為一個(gè)區(qū)域采用試件4-1參數(shù)；壩后填土采用試件8-1的參數(shù)；壩前淤積土采用試件2-2的參數(shù)；壩基部分的E-B模型參數(shù)參考大壩參數(shù)。

表1 大壩土樣試驗(yàn)結(jié)果

表2 壩體各部分滲流分析相關(guān)參數(shù)

表3 壩體各部分穩(wěn)定分析相關(guān)參數(shù)

采用E-B模型對(duì)大壩進(jìn)行施工過程模擬：先加固壩后，然后加固壩前。壩前分15層，每層0.9 m；壩后分14層，每層3 m。老壩體采取一次加荷，后面的計(jì)算中清除掉老壩的位移。采用E-B模型進(jìn)行施工期沉降分析，其中x向正向?yàn)轫樍飨颍瑈向正向?yàn)樨Q直向上，總位移表示各節(jié)點(diǎn)的位移矢量，應(yīng)力以壓應(yīng)力為正。

在施工期，假設(shè)水庫無水并且在施工完工之后才開始蓄水。采用總應(yīng)力法，首先進(jìn)行原壩體的初始應(yīng)力計(jì)算。在初始應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行大壩加固施工期固結(jié)及沉降變形的有限元分析，但扣除初始?jí)误w引起的變形量。

4 研究成果

4.1 施工期沉降變形分析

壩前加固到第15層即壩體加固完成時(shí)，土石壩壩體各向位移結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 x向位移

圖3 y向位移

對(duì)于豎向位移，原始?jí)误w位移很小，可忽略不計(jì)。而壩體的上游側(cè)豎向位移較大，壩體最大沉降為1.51 m，分布在高程1625.88 m處，距離壩頂中部下游0.46 m；竣工期加固完成后，壩頂沉降量為3.9 cm，與填筑壩高比值0.3%，小于1%，壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)合理；壩體X向位移中向下游變形最大為0.88 m，位于高程1621.9 m處，距壩頂中部下游16.5 m；向上游變形最大為0.2 m，位于高程1612.85 m處，距壩頂中部上游28 m。

4.2 正常蓄水位滲流及穩(wěn)定分析

正常蓄水位工況下，壩體壩基流網(wǎng)、孔隙水壓力等值線和浸潤(rùn)線如圖4—6所示。

圖4 正常蓄水位壩體壩基流網(wǎng)

圖5 孔隙水壓力等值線云圖

圖6 壩體浸潤(rùn)線

在滲流分析的結(jié)果上，進(jìn)行壩體穩(wěn)定分析，正常蓄水位壩體穩(wěn)定分析結(jié)果詳見表4。

表4 正常蓄水位壩體穩(wěn)定分析結(jié)果

正常蓄水位上游穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面，如圖7所示。對(duì)于上游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.677，滑裂面從壩頂下游側(cè)頂點(diǎn)起，經(jīng)過上游新壩體區(qū)，最終從淤泥區(qū)滑出。滑出點(diǎn)距新壩體上游坡腳處8 m左右。

圖7 正常蓄水位上游穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面

正常蓄水位下游穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面，如圖8所示。對(duì)于下游側(cè)壩坡，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為0.790，滑裂面從新壩體上游側(cè)靠近壩頂處起裂，沿準(zhǔn)直線經(jīng)過新老壩體，并最終以弧形從壩基滑出?；鳇c(diǎn)在下游坡腳附近，滑裂面最低點(diǎn)距建基面5～6 m左右。在正常蓄水位運(yùn)行條件下，壩體的下游側(cè)安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定值，因?yàn)閴误w加固工程已經(jīng)結(jié)束，建議水庫在蓄水位以下運(yùn)行，并加強(qiáng)壩體滲流情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖8 正常蓄水位下游穩(wěn)定安全系數(shù)及滑動(dòng)面

5 結(jié)論

為解決水庫存在的淤積、滲流等問題，對(duì)土石壩進(jìn)行了加高加固。以加高后的土壩為研究對(duì)象，對(duì)大壩運(yùn)行期滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)、壩坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)壩體運(yùn)行期穩(wěn)定性進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)。結(jié)合試驗(yàn)及仿真計(jì)算成果，對(duì)大壩蓄水及運(yùn)行管理方式提出合理建議。主要結(jié)論如下。

（1）通過對(duì)大壩加固施工過程的仿真模擬，得到了大壩各狀態(tài)下的位移變形結(jié)果?？⒐て诩庸掏瓿珊螅瑝误w最大沉降為1.51 m，位于高程1625.88 m處，距壩頂中部下游0.46 m；壩頂沉降量為3.9 cm，與填筑壩高比值0.3%，小于1%，壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)合理。

（2）在正常蓄水位運(yùn)行條件下，壩體上游側(cè)的極限穩(wěn)定安全系數(shù)為1.677，滑裂面從壩頂下游側(cè)頂點(diǎn)起，經(jīng)過上游新壩體區(qū)，最終從淤泥區(qū)滑出；壩體下游側(cè)的壩坡極限安全系數(shù)為0.790，滑裂面從新壩體上游側(cè)靠近壩頂處起裂，沿準(zhǔn)直線經(jīng)過新老壩體，并最終以弧形從壩基滑出。

（3）在正常蓄水位運(yùn)行條件下，壩體的下游側(cè)安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定值，因?yàn)閴误w加固工程已經(jīng)結(jié)束，建議水庫在蓄水位以下運(yùn)行，并加強(qiáng)壩體滲流情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。