水位波動(dòng)對(duì)土石壩穩(wěn)定性影響分析

許臻真

(太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)中心，山西 太原 030002)

為確保廣大人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，自1949年至今，我國(guó)組織修建了眾多的水利水電工程，成為世界上大壩數(shù)量增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一。由于受到氣候變化等因素的影響，河流水庫的水位會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生波動(dòng)，從而破壞大壩的穩(wěn)定性，導(dǎo)致大壩邊坡失穩(wěn)事件頻發(fā)[1]。近年來，世界各地極端天氣事件頻繁出現(xiàn)，水庫的水位波動(dòng)較大，這對(duì)水庫大壩的安全運(yùn)營(yíng)提出了新的挑戰(zhàn)。如2021年河南省鄭州市因遭遇特大暴雨而發(fā)生洪災(zāi)，其中，五星水庫的大壩邊坡有3處失穩(wěn)，產(chǎn)生多條裂縫。因此有必要研究水位波動(dòng)對(duì)大壩邊坡滲流場(chǎng)、穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

唐棟等[2]采用非飽和土滲流分析的方法，研究了不同初始條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：土體的滲透性越好，邊坡穩(wěn)定性受前期降雨的影響就越明顯；計(jì)算時(shí)應(yīng)將平均降雨量對(duì)應(yīng)的滲流場(chǎng)作為初始條件。王志浩[3]研究了水位變化對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：水位的變化是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要因素。水位下降對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利，水位上升有利于邊坡保持穩(wěn)定，但在長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨的作用下，邊坡的穩(wěn)定性出現(xiàn)了明顯的下降。李卓等[4]以龍江水電站滑坡區(qū)的實(shí)際降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過模型試驗(yàn)研究了降雨作用下邊坡的失穩(wěn)特性。結(jié)果表明：前期降雨時(shí)由于雨水的入滲，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，喪失部分基質(zhì)吸力，再次降雨容易產(chǎn)生滑坡。曾潤(rùn)忠等[5]使用ABAQUS有限元軟件，分析了降雨和水位波動(dòng)共同作用下庫岸邊坡穩(wěn)定性的變化情況。結(jié)果表明：在降雨和水位上升的共同作用下，邊坡穩(wěn)定性變化不夠明顯；但在降雨和水位下降共同作用時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性出現(xiàn)了明顯的下降，降雨強(qiáng)度越大穩(wěn)定性下降就越明顯。

綜上所述，降雨、水位波動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響比較明顯。但現(xiàn)有的研究多針對(duì)近壩岸邊坡的滲流特性和穩(wěn)定性變化。在現(xiàn)有的研究中，很少見到有學(xué)者研究降雨和水位波動(dòng)共同作用下水庫大壩邊坡滲流特性和穩(wěn)定性變化規(guī)律。因此，本文以某水庫的土石壩為例，采用有限元分析軟件Geo-studio，研究了降水和水位波動(dòng)共同作用下大壩邊坡滲流特性和穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 工程概況和模型建立

本文以某水庫大壩為研究對(duì)象，該大壩修建于1977年，壩體類型為黏土心墻壩，壩頂高程為112m，長(zhǎng)335m，寬8m，大壩的典型剖面圖如圖1所示。其中上游的坡度從左到右分別為1∶3、1∶3.5、1∶4、1∶4、1∶4、1∶2.75、1∶2.5，下游的坡度從左到右分別為1∶2.3、1∶4.5、1∶1.5、1∶1.5、1∶1.5。壩體的物理參數(shù)見表1。

表1 大壩材料物理參數(shù)表

圖1 大壩典型剖面圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

以圖1所示的典型剖面圖為例建立有限元模型，如圖2所示。該模型網(wǎng)格采用的是非結(jié)構(gòu)化四邊形和三角形網(wǎng)格。在邊界條件設(shè)置上，大壩上游邊坡靠近水庫，因此ab段定義為水頭邊界；bc段為流量邊界，模擬降水工況；大壩下游邊坡不臨水，同樣設(shè)置為水頭邊界；其余邊界均設(shè)置為不透水邊界。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型圖

2 計(jì)算分析

不同計(jì)算工況見表2，其中工況1模擬降水對(duì)大壩的影響，工況2～工況4模擬水位波動(dòng)對(duì)大壩的影響，工況5～工況7模擬降水和水位波動(dòng)共同作用對(duì)大壩的影響。

表2 計(jì)算工況

2.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，分別在大壩防滲墻前、后布置一根測(cè)壓管，如圖1所示。將實(shí)測(cè)結(jié)果與工況1的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3。在7月1日，兩根測(cè)壓管的水位分別為95.29和79.5m，此時(shí)計(jì)算模型中所得到的浸潤(rùn)線高程為96.23和80.31m，分別比實(shí)測(cè)值高了0.98%和1%；在7月20日時(shí)，測(cè)壓管水位高度分別為97.89和79.45m，所得到的浸潤(rùn)線高程為98.55和80.37m，分別比實(shí)測(cè)值高了0.67%和1.16%。這說明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的差距較小，模型計(jì)算結(jié)果有效。

表3 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較

2.2 孔隙水壓力變化情況

為了監(jiān)測(cè)降水和水位變化過程中大壩孔隙水壓力的變化情況，分別在大壩的上游、下游和壩頂設(shè)置若干個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中大壩上游和下游邊坡分別設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，埋置深度均為坡表下5m；壩頂處監(jiān)測(cè)點(diǎn)共有5個(gè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向距離為5m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布情況如圖1所示。

工況1的孔隙水壓力模擬結(jié)果如圖3所示，即降水對(duì)大壩孔隙水壓力的影響。從圖3(a)中可以看出，7月1日的降水量約為49mm，小于大壩的滲透系數(shù)，因此所有的降水量滲入大壩。而到7月5日后，降水量有較大提升，達(dá)到了165mm，當(dāng)天的降水量明顯高于大壩的滲透系數(shù)，但降水量有限，只有大壩表面土體達(dá)到飽和狀態(tài)，所以L1和L2兩處的孔隙水壓力上升非常明顯。在降水結(jié)束后，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力分別達(dá)到了0、10.33、25.60、42.61、76.63kPa。這說明前期降水對(duì)大壩表層土體的影響明顯，影響深度達(dá)到了25m，整個(gè)大壩的土體都接近飽和狀態(tài)。

圖3 降水作用下大壩孔隙水壓力變化曲線

由圖3(b)可知，降水對(duì)W1處的孔隙水壓力影響較大，孔隙水壓力變化不大。主要是因?yàn)榻邓^程中，雨水不斷滲入，導(dǎo)致W1處的孔隙水壓力逐漸上升；而W2和W3兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)始終位于庫水位以下，所以受降水影響很小。在整個(gè)降水過程中，W1處的孔隙水壓力由-65.81kPa上升到20.22kPa，增加趨勢(shì)非常明顯。

降水對(duì)大壩下游孔隙水壓力的影響如圖3(c)所示。從圖上可以看出，P1和P2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力的變化非常明顯，分別增加了200.67和192.65kPa，P3的孔隙水壓力僅增加了24.34kPa。這主要是因?yàn)镻3始終位于浸潤(rùn)線以下，前期降水對(duì)浸潤(rùn)線的抬升效果不明顯，所以在整個(gè)過程中P3的孔隙水壓力變化較小。

給出了水位波動(dòng)對(duì)大壩孔隙水壓力的影響曲線如圖4所示。從圖中可以看出，大壩下游的孔隙水壓力幾乎不受水位波動(dòng)的影響；但大壩上游孔隙水壓力受水位波動(dòng)的影響較大。由于W1位于水位之上，因此當(dāng)水位下降時(shí)，該處的孔隙水壓力變化非常緩慢；W2和W3均位于初始水位之下，其孔隙水壓力會(huì)隨水位的下降而減小，水位下降速率越快，孔隙水壓力的下降速率也越快。

圖4 水位波動(dòng)對(duì)大壩孔隙水壓力的影響

降水和水位波動(dòng)共同作用下大壩孔隙水壓力變化曲線如圖5所示。通過和圖3—4對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，W1處和大壩下游的孔隙水壓力主要受到降水的影響，孔隙水壓力會(huì)隨著降水的增加而不斷上升；而W2和W3的孔隙水壓力主要受到水位變化的影響，降水對(duì)其影響可以忽略不計(jì)。

圖5 前期降水和水位波動(dòng)共同作用下大壩孔隙水壓力變化曲線

2.3 大壩邊坡穩(wěn)定性變化情況

降水作用下大壩邊坡安全系數(shù)的變化情況如圖6所示。從圖中可以看出，在降水期間和降水結(jié)束后的20d內(nèi)，大壩上游邊坡的安全系數(shù)下降緩慢。但大壩上游邊坡的安全系數(shù)在降水期間變化幅度很小，在降水結(jié)束后邊坡的安全系數(shù)突然開始快速下降，最終下降至1.54。這說明降水主要是大幅度降低大壩下游邊坡的穩(wěn)定性，邊坡穩(wěn)定性的變化存在一定的滯后性。

圖6 降水作用下大壩安全系數(shù)變化曲線

水位變化情況下大壩邊坡穩(wěn)定性的變化情況如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，在水位下降的過程中，上游大壩的安全系數(shù)也在下降，而且水位下降速率越快，安全系數(shù)下降的也越快；當(dāng)水位停止變化后，安全系數(shù)則會(huì)隨著時(shí)間的推移而緩慢上升。主要是因?yàn)樵谒幌陆颠^程中，大壩中浸潤(rùn)線的下降存在滯后效應(yīng)，導(dǎo)致水力梯度較大，另一方面是坡面上的水壓力消失，土體中水向外滲流會(huì)產(chǎn)生拖拽力，最終使抗滑力減小，下滑力逐漸上升[6-7]。在水位停止下降后，浸潤(rùn)線逐漸保持穩(wěn)定，土中有效應(yīng)力逐漸上升，使抗滑力有所提高，所以該階段的安全系數(shù)會(huì)有所提高。從圖7(b)中可以看出，隨著水位的下降，大壩下游邊坡的安全系數(shù)會(huì)逐漸升高，但總體的變化幅度很小。安全系數(shù)的變化幅度與水位下降速率呈正相關(guān)。

圖7 水位波動(dòng)對(duì)大壩安全系數(shù)的影響

降水和水位波動(dòng)共同作用下大壩邊坡的安全系數(shù)變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，上游大壩邊坡的安全系數(shù)先減小再趨于穩(wěn)定，其下降速率與水位下降速率呈正相關(guān)。在降水階段，下游大壩邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)，在降水結(jié)束后，安全系數(shù)的下降速率開始加快。

圖8 前期降水和水位波動(dòng)共同作用下大壩安全系數(shù)變化曲線

3 結(jié)語

文章采用有限元分析軟件對(duì)某土石壩在降水和水位波動(dòng)情況下大壩邊坡孔隙水壓力、安全系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)隨著降水量的增加，大壩表層土體逐漸飽和。降水結(jié)束后，雨水不斷向土體中滲入，導(dǎo)致浸潤(rùn)線持續(xù)向大壩內(nèi)部移動(dòng)，使大壩不同深度處的孔隙水壓力變化時(shí)間晚于降水時(shí)間，具有一定的滯后性，埋深越大滯后越明顯。

(2)降水期間下游大壩邊坡的安全系數(shù)變化較小，降水結(jié)束后下游大壩邊坡的安全系數(shù)下降幅度較大。大壩的安全系數(shù)相對(duì)降水存在一定的滯后性，因此需要注意降水后大壩的穩(wěn)定性。

(3)下游大壩邊坡的安全系數(shù)主要受降水的影響，上游大壩邊坡的安全系數(shù)主要受水位波動(dòng)的影響。降水和水位波動(dòng)共同作用下大壩邊坡安全系數(shù)的變化幅度大于降水或水位波動(dòng)作用下大壩邊坡安全系數(shù)的變化幅度。