庫水位升降條件下土壩滲流特征及穩(wěn)定性分析

姚建新，姚 丹，史簫笛，程夢武，況 麗

(湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊,湖北 襄陽 441000)

土壩因其造價低、對地質(zhì)環(huán)境條件要求低而廣泛存在于平原區(qū),一些修建于二十世紀(jì)五六十年代的土壩,局限于經(jīng)濟、技術(shù)等條件,現(xiàn)許多已進入“帶病”運行階段,因此有必要對其進行安全性評估[1-4]。滲流是威脅土壩安全的主要因素之一,庫水位的升降使得壩體內(nèi)孔隙水壓力及滲流場處于動態(tài)變化中,影響土體抗剪強度參數(shù),進而影響壩體穩(wěn)定性。

隨著非飽和土力學(xué)及有限元法的發(fā)展與完善,對于庫水位升降條件下大壩滲流特征分析及穩(wěn)定性評價,已有諸多學(xué)者開展了許多卓有成效的工作,如許玉景等[5]將ANSYS有限元軟件的溫度場分析功能應(yīng)用于滲流場的分析,解決了土壩滲流問題的求解;張興勝等[6]針對土壩通過分析滲流侵蝕機制,建立土體內(nèi)部滲流侵蝕本構(gòu)及控制方程,給出滲流侵蝕引起的土體結(jié)構(gòu)強度損傷關(guān)系;王開拓等[7]以20世紀(jì)修建的某均質(zhì)土壩為例,分析了不同水位條件下壩體內(nèi)部的浸潤線特征及穩(wěn)定性,表明大壩滲漏問題嚴(yán)重,上游壩坡在各水位條件下趨于穩(wěn)定,下游壩坡在正常蓄水位和允許最高水位條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài);安民等[8]分析了均質(zhì)土壩在庫水位升降條件下的穩(wěn)定性,認(rèn)為當(dāng)上游水位下降時,邊坡的安全系數(shù)隨著水位的下降而下降,而上游水位上升時,上游邊坡的安全系數(shù)是逐漸上升的;張文杰等[9]研究認(rèn)為飽和滲透系數(shù)的大小決定了岸坡內(nèi)浸潤線的位置和形狀,在水位升降情況下,滲透系數(shù)小的岸坡水位上升時安全系數(shù)增大,水位下降時安全系數(shù)減小,而滲透系數(shù)大的岸坡在水位上升和下降時均存在最危險水位,最危險水位的位置約在岸坡高度下1/3處。

以某均質(zhì)土壩為例,基于非飽和土力學(xué)理論,考慮非飽和土體滲透性與基質(zhì)吸力之間的非線性關(guān)系,采用有限元法對庫水位變化過程中壩體滲流特征及上游壩坡穩(wěn)定性進行了定量分析,得到了庫水位變化過程中均質(zhì)土壩滲流和穩(wěn)定性變化規(guī)律,并提出了水庫監(jiān)測及防治方面的措施建議。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 非飽和帶水運動規(guī)律

非飽和土體滲透率k不再是常數(shù),而是非線性的,其值與土體的含水率有關(guān),當(dāng)含水率減小時,一部分空隙為空氣所充填,因而過水?dāng)嗝鏈p小,滲流途徑的彎曲程度增加,導(dǎo)致滲透系數(shù)降低。非飽和土壤水運動基本方程:

上述方程以基質(zhì)勢h為變量,適用于飽和-非飽和問題的求解,能夠很好地處理兩者之間的耦合關(guān)系。

1.2 非飽和土抗剪強度理論

非飽和土體強度與含水量的變化顯著相關(guān),土體含水量的增大會弱化土體結(jié)構(gòu)強度和導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低,孔隙水壓力的增加,有效應(yīng)力的減小會影響土體抗剪強度。本次采用Fredlund提出的抗剪強度理論[10],其方程為:

τfω=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uω)tanφb。

其中,c′為有效黏聚力;ua為孔隙氣壓力;uω為孔隙水壓力;φ′為有效內(nèi)摩擦角;φb為與基質(zhì)吸力(ua-uω)對應(yīng)的等效內(nèi)摩擦角,其反映出非飽和抗剪強度隨基質(zhì)吸力而增加的速率。

2 算例分析

2.1 計算模型及參數(shù)

某水庫位于漢江支流唐白河流域,大壩為均質(zhì)土壩,壩體土為素填土,主要由粉質(zhì)黏土組成,壩基土為硬塑狀粉質(zhì)黏土,場地附近無斷裂構(gòu)造,較適宜工程建設(shè)。該水庫庫底標(biāo)高為123.00 m,正常蓄水位為127.40 m,設(shè)計水位128.80 m,上、下游壩坡坡比分別為1∶2.1,1∶1.8(見圖1)。根據(jù)大壩實際典型剖面搭建有限元二維數(shù)值模型(見圖2),以庫底為基準(zhǔn)(水頭為0 m),按0.5 m間距劃分網(wǎng)格,其中計算網(wǎng)格單元數(shù)835個、網(wǎng)格節(jié)點數(shù)902個,上游壩坡設(shè)定為動水頭邊界,即水頭h與時間t相關(guān)的函數(shù)邊界條件,土體參數(shù)選取主要依據(jù)土工試驗結(jié)果及行業(yè)規(guī)范經(jīng)驗值,主要參數(shù)取值分別為:ωs=0.1,Ks=0.006 m/d,γ=19.5 kN/m3,c=18 kPa,φ=10°。

2.2 計算工況

根據(jù)水庫功能定位與實際情況,為定量分析水庫運行過程中可能出現(xiàn)或大概率出現(xiàn)的水位上升與降落對壩體填土滲流影響及對壩體穩(wěn)定性影響,選取正常蓄水位與設(shè)計水位作為定量分析的參考水位。水庫水位上升工況下:水位從127.40 m上升至128.80 m,即水頭從4.4 m上升至5.8 m;水庫水位下降工況下:水位從128.80 m降落至127.40 m,即水頭從5.8 m下降至4.4 m;水位上升(下降)速率分別設(shè)定為0.1 m/d和0.2 m/d。

3 結(jié)果分析

3.1 庫水位變動滲流分析

庫水位上升工況下:從圖3可看出,在庫水位上升速率定值條件下,不同位置孔隙水壓力增加速率基本一致,與時間近似成正比,在庫水位上升的中期,坡面處孔隙水壓力變化存在一個突變,而非坡面位置在庫水位整個上升過程中,孔隙水壓力大致呈線性增加,但不同位置,孔隙水壓力大小明顯不同,距離坡面位置越遠,孔隙水壓力值越大;不同庫水位上升速率下,孔隙水壓力增加速度不同,其與庫水位上升速率呈正相關(guān),庫水位上升越快,孔隙水壓力增加越快。不同庫水位上升速率下,不同位置孔隙水壓力終值也不同,在0.1 m/d上升速率下,距壩坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水壓力終值分別為10.87 kPa,14.22 kPa,17.54 kPa,而在0.2 m/d上升速率下,距壩坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水壓力終值分別為10.60 kPa,13.74 kPa,16.91 kPa,表明庫水位在0.1 m/d上升速率條件下,上升到同一高度水位,壩體最終孔隙壓力要高于0.2 m/d上升速率條件下,這是因為上升速率越慢,水能夠更加充分地浸潤土體,由此可推斷庫水位上升速率越慢,壩體不同位置孔隙水壓力終值越大,影響深度越大,滲流作用效果也更加明顯,反之,庫水位上升速率越快,孔隙水壓力終值越小,影響深度越小,滲流作用效果也更加平緩。

庫水位下降工況下:從圖4可看出,在庫水位下降速率定值條件下,不同位置孔隙水壓力減小速率基本一致,在庫水位下降的中期,坡面處孔隙水壓力變化存在一個突變,而非坡面位置在庫水位整個下降過程中,孔隙水壓力大致呈線性減小,但不同位置,孔隙水壓力大小明顯不同,距離坡面位置越遠,孔隙水壓力值越大,這是因為深度越大,孔隙水壓力越難以消散;不同庫水位下降速率下,孔隙水壓力減小速度也存在差異,其與庫水位下降速率大致呈正比,庫水位下降越快,孔隙水壓力減小越快,同一時間下,孔隙水壓力也越小。不同庫水位下降速率下,不同位置孔隙水壓力終值也不同,在0.1 m/d下降速率下,距壩坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水壓力終值分別為2.61 kPa,7.17 kPa,11.95 kPa,而在0.2 m/d下降速率下,距壩坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水壓力終值分別為3.04 kPa,7.62 kPa,12.43 kPa,同一下降速率條件下,距坡面越近,孔隙水壓力越小,因深度越淺,孔隙水壓力更易消散,故其孔隙水壓力越小,而在不同下降速率條件下,水位下降速率越慢,壩體不同位置孔隙水壓力終值越小,這是因為粉質(zhì)黏土層滲透性差,而下降速率越慢,壩土體能夠充分排水,孔隙水壓力能夠在一定程度上充分消散,因此孔隙水壓力更小,而下降速率過快,壩土體內(nèi)水來不及充分排出,孔隙水壓力未完全消散,因此較之水位下降慢條件下壩體內(nèi)部孔隙水壓力更大。

3.2 庫水位升降下壩坡穩(wěn)定性分析

庫水位上升工況下:圖5為上游壩坡在庫水位上升條件下的安全系數(shù)變化曲線,由圖可看出,天然狀態(tài)下,土壩穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.36,滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中正常運用條件下最小安全系數(shù)為1.25的要求,在庫水位由正常蓄水位上升至設(shè)計水位工況下,安全系數(shù)是逐漸增加的,水位上升越快,安全系數(shù)增加越快,水位上升至設(shè)計水位時,水位在0.1 m/d和0.2 m/d上升速率下,兩者安全系數(shù)終值分別為1.604和1.609,雖相差僅3‰,但其可能源于設(shè)定水位上升速率偏小的緣故,因該水庫水位上升速率設(shè)定源于實際情況,故在此不做進一步探討,后期將開展進一步的改進工作,但仍可推測庫水位上升速率對壩坡最終安全系數(shù)存在一定程度影響,即庫水位上升越快,其壩坡最終安全系數(shù)越大,這也與前文所述庫水位上升速率越快,滲流作用也更加平緩的論斷一致。在庫水位上升過程中,水的滲透力垂直作用于上游壩坡坡面,相當(dāng)于對壩坡面施加了荷載,進而提高了壩坡體的抗滑力,從而使得安全系數(shù)增大。

庫水位下降工況下:圖6為上游壩坡在庫水位下降條件下的安全系數(shù)變化曲線,由圖可看出,天然狀態(tài)下,壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài),在庫水位由設(shè)計水位下降至正常蓄水位工況下,安全系數(shù)是逐漸下降的,水位下降越快,安全系數(shù)下降越快,水位在0.1 m/d和0.2 m/d下降速率下,前者于水位下降4 d后,安全系數(shù)低于規(guī)范要求而處于不穩(wěn)定失穩(wěn)狀態(tài),后者于水位下降2 d后,安全系數(shù)低于規(guī)范要求而處于失穩(wěn)狀態(tài),水位下降至正常蓄水位時,兩者安全系數(shù)終值分別為1.096和1.095,低于規(guī)范要求,處于失穩(wěn)狀態(tài),庫水位下降速率對壩坡最終安全系數(shù)存在一定程度影響,即庫水位下降越快,其壩坡最終安全系數(shù)越小。在庫水位下降過程中安全系數(shù)降低主要有兩個方面的原因:一方面是由于大壩土體滲透性低,排水能力弱,壩體內(nèi)孔隙水壓力沒有足夠時間消散降低,而壩體外水壓力快速降低,由此形成內(nèi)外壓力差,即形成所謂的“逆流”現(xiàn)象[11],導(dǎo)致上游壩坡穩(wěn)定性降低,當(dāng)庫水位下降越快,在上游壩坡面附近會形成更加嚴(yán)重的“逆流”現(xiàn)象,威脅壩坡安全;另一方面是因為降水過程中,壩體內(nèi)孔隙水部分排出,孔隙水壓力部分消散,導(dǎo)致壩體內(nèi)有效應(yīng)力增加,較之水位未下降前,增大了下滑力,進而導(dǎo)致壩坡安全系數(shù)降低。

4 結(jié)論

在庫水位升降變化過程中,孔隙水壓力大小與水位上升速率關(guān)系顯著。水位上升速率越慢,壩體不同位置孔隙水壓力終值越大,影響深度越大,滲流作用效果也更加明顯,反之,庫水位上升速率越快,不同位置孔隙水壓力終值越小,影響深度越小,滲流作用效果也更加平緩;而水位下降速率越慢,不同位置孔隙水壓力終值越小,且距壩坡面越近,孔隙水壓力越小,孔隙水壓力更易消散,而距壩坡面越遠,孔隙水壓力越不易消散,孔隙水壓力越大。

在庫水位上升過程中,因滲透力作用于壩坡面,相當(dāng)于施加了荷載,增大了抗滑力,使得壩坡安全系數(shù)逐漸增加;而在庫水位下降過程中,壩坡安全系數(shù)是逐漸減小的,庫水位下降越快,壩坡安全系數(shù)越小,一方面是因為大壩土體滲透性低,排水能力弱,壩體內(nèi)孔隙水壓力沒有足夠時間消散降低,而壩體外水壓力快速降低,由此形成內(nèi)外壓力差,使得安全系數(shù)降低而易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞;另一方面是壩體內(nèi)孔隙水部分排出,部分孔隙水壓力消散,有效應(yīng)力增加,進而增大了下滑力,導(dǎo)致安全系數(shù)降低,因此當(dāng)水庫蓄水后,應(yīng)特別注意監(jiān)測排水階段大壩壩坡穩(wěn)定性,且應(yīng)合理控制水庫排水或放水速度,防止水庫水位下降導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)破壞。