波浪水頭對(duì)大壩孔壓及穩(wěn)定性影響研究

劉 聰

(甘肅省張掖市臨澤縣水務(wù)局，甘肅 張掖 734200)

0 引言

近年來(lái)，隨著水電工程建設(shè)的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，越來(lái)越多的水電站建設(shè)在山區(qū)或河流彎曲處。這些場(chǎng)址通常會(huì)遭受到洪水、泥石流等自然災(zāi)害的威脅，需要考慮到大壩的穩(wěn)定性和安全性問(wèn)題。波浪水頭的產(chǎn)生會(huì)對(duì)大壩孔壓和穩(wěn)定性造成一定的影響。因此，對(duì)波浪水頭對(duì)大壩孔壓及穩(wěn)定性影響的研究具有重要的理論意義。通過(guò)對(duì)波浪水頭對(duì)大壩孔壓及穩(wěn)定性影響機(jī)理的研究，可以為水電工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，進(jìn)一步提高水電站的安全性。

目前有許多學(xué)者針對(duì)水頭對(duì)大壩造成的影響進(jìn)行了研究。劉文潔等人[1]以四方井水庫(kù)粘土心墻壩為例，考慮庫(kù)水位聯(lián)合降雨工況下的壩坡滲透穩(wěn)定性，并基于Monte-Carlo法分析了可靠度規(guī)律，結(jié)果表明降雨發(fā)生在庫(kù)水位驟降后期最為危險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)以防止壩坡失穩(wěn)災(zāi)害的發(fā)生。達(dá)明昌等人[2]基于非飽和滲流原理，考慮不同降雨強(qiáng)度和類型以及不同庫(kù)水位變化速率，對(duì)心墻壩上下游壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果表明降雨類型和強(qiáng)度是影響下游壩坡安全系數(shù)的主要因素，該研究為心墻壩極端工況下的風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)急管理提供了參考。蘇正洋等人[3]通過(guò)有限元模擬研究了中小型均質(zhì)土石壩壩坡在不同類型降雨和庫(kù)水位變動(dòng)下的滲流和穩(wěn)定性，結(jié)果表明不同類型降雨對(duì)下游壩坡安全系數(shù)影響不同，有無(wú)降雨及降雨類型的變化對(duì)上游壩坡影響較小，庫(kù)水位的變動(dòng)對(duì)上游坡影響較大，而降雨對(duì)下游坡安全系數(shù)的影響更大，為該類土石壩的日常風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)。閆俊海[4]研究混凝土重力壩和基巖界面的斷裂行為及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，以探討裂縫位置和接觸界面與裂縫相互作用對(duì)重力壩穩(wěn)定性的影響，為相關(guān)工程提供參考。黃亮[5]利用BIM軟件和FLAC3D有限元軟件分別計(jì)算了某水電站水庫(kù)邊坡在暴雨和水位升降下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明在正常水位下邊坡穩(wěn)定，但在蓄水條件下前緣容易出現(xiàn)變形失穩(wěn)并垮塌。雖然目前在大壩的穩(wěn)定性上已經(jīng)有著較多的研究成果，但缺乏針對(duì)波浪水頭環(huán)境的研究。因此，本文基于數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)均質(zhì)土壩在受到波浪水頭作用時(shí)其內(nèi)部孔壓的變化情況進(jìn)行了研究，分析穩(wěn)定性和最小安全系數(shù)，為大壩的設(shè)計(jì)提供安全評(píng)價(jià)。

1 計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

為研究波浪水頭對(duì)均質(zhì)大壩在滲透穩(wěn)定性上的影響，以水庫(kù)大壩為原型建立了均質(zhì)大壩模型。具體的均質(zhì)大壩計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 均質(zhì)土壩數(shù)值模擬計(jì)算模型

1.2 模型計(jì)算參數(shù)

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，需要對(duì)計(jì)算模型在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)所需的材料參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，包括干密度ρd、有效粘聚力c′、有效內(nèi)摩擦角φ′、滲透系數(shù)kw

以及大壩土體和排水棱體的持水特征曲線。根據(jù)該水庫(kù)的設(shè)計(jì)圖和設(shè)計(jì)過(guò)程采用的工程報(bào)告可以得到上述參數(shù)和持水特征曲線見(jiàn)表1和如圖2所示。

表1 該均質(zhì)土壩壩體材料工程測(cè)量參數(shù)

圖2 大壩土體以及排水棱體的持水特征曲線

1.3 計(jì)算模型邊界條件

在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)需要先確定計(jì)算模型的邊界條件，由于本文研究的水頭類型為波浪水頭，與靜水頭相比波浪水頭會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生周期性的變化，因此在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)可以將波浪水頭采用波形函數(shù)表達(dá)式的方式去表示，根據(jù)已有的研究結(jié)果可以得到波浪水頭的波形函數(shù)表達(dá)式如方程(1)所示：

H(t)=H0+(Rp+e)sin(2πt/Tm)

(1)

式中，H(t)—t時(shí)刻的波浪水頭，m；Rp—波浪爬高，m；e—風(fēng)壅水面高度，m；t—時(shí)間，s；H0—靜水頭；Tm—平均波周期，s。

根據(jù)圖1所示的計(jì)算模型可以得知靜水頭的取值為16m，查詢規(guī)范可得16m靜水頭所對(duì)應(yīng)的波浪爬高為1.8m，風(fēng)壅水面高度為0.017m，采用莆田試驗(yàn)站公式可以計(jì)算出平均波期為2.97s，因此方程(1)可以寫為方程(2)：

H(t)=16+1.817sin(2πt/2.97)

(2)

1.4 模型計(jì)算求解方法

如圖1所示，模型中被設(shè)置了A到I總計(jì)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)大壩上中下三個(gè)不同區(qū)域在受到波浪水頭作用時(shí)內(nèi)部孔隙壓力的變化情況，以計(jì)算模型中的a點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸后，9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置見(jiàn)表2。

表2 A-I監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置

采用數(shù)值模擬軟件Geostudio對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，即可得到大壩在受到波浪水頭作用時(shí)內(nèi)部孔隙壓力的數(shù)值解。

2 孔壓變化規(guī)律分析

計(jì)算模型采用Geostudio進(jìn)行求解得到的上部區(qū)域A處孔壓隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，上部區(qū)域B處孔壓隨時(shí)間變化曲線如圖4所示，上部區(qū)域C處孔壓隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處孔壓變化

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處孔壓變化

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處孔壓變化

從圖3—5中可以看出在最靠近水頭的監(jiān)測(cè)點(diǎn)A不論是在波浪水頭的作用下或是靜水頭的作用下都有著上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高的孔壓水頭。在波浪水頭的作用下A點(diǎn)處的孔壓水頭從15.9m上升到了16.3m，在后續(xù)波浪水頭的作用下又逐漸降低至16.1m；在靜水頭的作用下A點(diǎn)處的孔壓水頭并未發(fā)生變化，但無(wú)論是在波浪水頭的作用下或是在靜水頭的作用下最大值都在波浪水頭的峰值17.8m以下，這種情況的發(fā)生是因?yàn)樵诓ɡ怂^進(jìn)入大壩的過(guò)程中并非是以堆積形式進(jìn)入的，而是在進(jìn)入的同時(shí)發(fā)生了孔隙水的滲流，雖然孔隙水的滲流速度小于波浪水頭入滲的速度，但任然會(huì)發(fā)生此類狀況。與監(jiān)測(cè)點(diǎn)A相比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處的孔壓水頭變化逐漸趨于平緩，說(shuō)明波浪水頭對(duì)大壩的作用主要集中在坡面處，隨著作用距離遠(yuǎn)離坡面，波浪水頭對(duì)大壩造成的影響也隨之減小。

計(jì)算模型中部區(qū)域和下部區(qū)域的孔壓變化曲線如圖6—7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)中部區(qū)域與下部區(qū)域的孔壓水頭幾乎不會(huì)受到波浪水頭的影響，隨著波浪水頭作用時(shí)間的增加，這兩個(gè)區(qū)域的孔壓水頭幾乎保持不變。

圖6 中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔壓水頭變化

圖7 下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔壓水頭變化

3 最小安全系數(shù)變化規(guī)律

從第2節(jié)的分析可以看出波浪水頭對(duì)中部區(qū)域及下部區(qū)域幾乎都沒(méi)有造成影響，因此在對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行研究時(shí)僅對(duì)上部區(qū)域和下部區(qū)域進(jìn)行分析，最小安全系數(shù)的計(jì)算采用Bishop法，上部區(qū)域及下部區(qū)域的最小安全系數(shù)變化曲線如圖8所示。

圖8 上、下部區(qū)域最小安全系數(shù)變化曲線

從圖8中可以看出本文計(jì)算模型在t=0s時(shí)的上部區(qū)域的最小安全系數(shù)為1.7，大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.2，達(dá)到了工程設(shè)計(jì)所需要的抗滑穩(wěn)定要求；但是當(dāng)波浪水頭開(kāi)始作用在大壩上時(shí)，上部區(qū)域的最小安全系數(shù)開(kāi)始呈現(xiàn)出正弦波的變化趨勢(shì)，其最小安全系數(shù)降低至1.02，低于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，因此上部區(qū)域并不滿足實(shí)際工程應(yīng)用，存在滑坡發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于下部區(qū)域來(lái)說(shuō)，波浪水頭的作用并未對(duì)下部區(qū)域的最小安全系數(shù)造成明顯的影響，下部區(qū)域的最小安全系數(shù)僅在波浪水頭的作用下從1.24上升至1.29后保持不變，大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.2，表明本文計(jì)算模型在受到波浪水頭作用時(shí)下部區(qū)域一直處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬法建立了均質(zhì)大壩模型，采用Geostudio數(shù)值模擬軟件模擬了波浪水頭對(duì)均質(zhì)大壩的影響。結(jié)果表明波浪水頭對(duì)大壩的作用主要集中在坡面處，隨著作用距離遠(yuǎn)離坡面，波浪水頭對(duì)大壩造成的影響也隨之減小。模型在上部區(qū)域的初始最小安全系數(shù)高于規(guī)范所要求的的最小安全系數(shù)，在波浪水頭作用下安全系數(shù)會(huì)降低至規(guī)范要求之下，存在滑坡發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。模型下部區(qū)域的最小安全系數(shù)幾乎不會(huì)受到波浪水頭的影響，大壩下部區(qū)域的初始安全系數(shù)大于規(guī)范要求，在波浪水頭的作用依然保持良好的穩(wěn)定性。由于波浪水頭對(duì)不同大壩類型影響左右存在差異，因此，研究結(jié)果應(yīng)用時(shí)需進(jìn)一步研究。