黏土心墻滲透系數(shù)對土石壩滲流穩(wěn)定性的影響研究

吳建勇,殷 思

(1.江西省水投工程咨詢集團(tuán)有限公司,南昌 330000;2.江西省水泰工程檢測有限公司,南昌 330000)

1 概 述

我國西南山區(qū)坡高谷深,水力水電資源豐富,大型水庫大壩建設(shè)對于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要作用。水庫大壩的穩(wěn)定性是關(guān)乎水力設(shè)施安全運營的重要因素,而大壩的滲流條件是影響大壩穩(wěn)定性的重要因素。為此,許多學(xué)者針對大壩的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究。史建峰等[1]構(gòu)建了Geo-Studio土石壩滲流場計算模型,系統(tǒng)研究了某土石壩滲流穩(wěn)定性的因素。結(jié)果表明,降雨強度、降雨型態(tài)和降雨持續(xù)時長是影響土石壩穩(wěn)定性的主要因素。徐穎等[2]依托瀑布溝礫石土心墻土石壩工程,系統(tǒng)分析了主、副墻滲透系數(shù)變化對壩基滲流場的分布影響。賀亞魏等[3]基于非飽和滲流理論,系統(tǒng)分析了水位波動對黏土心墻土石壩穩(wěn)定性的影響,為水庫調(diào)水和日常管理提供了參考。王開拓等[4]依托均質(zhì)土石壩庫工程,建立了Geo-Studio數(shù)值計算模型,研究了庫水位降落對土石壩穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,壩體浸潤線變化時刻滯后于庫水位降落時刻,且滯后時長與水位下降速率呈正比。庫水位下降速率越大,土石壩穩(wěn)定性越差。倪沙沙[5]基于飽和-非飽和非穩(wěn)定滲流理論,研究了雨強和雨時對土石壩穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,兩者對土石壩的滲流場及壩坡穩(wěn)定性均有明顯的影響。寧威鋒[6]基COMSOL計算了水庫土石壩體滲流特征,提出了合理的防滲措施,為水利工程中防滲墻設(shè)計及滲流分析提供了參考。

本文基于數(shù)值模擬,研究土石壩心墻滲透系數(shù)變化和不變兩種情況下,大壩的滲流場特性及穩(wěn)定性規(guī)律,研究結(jié)果可為類似土石壩工程防滲及穩(wěn)定性優(yōu)化提供參考。

2 飽和-非飽和滲流理論

非飽和達(dá)西定律為:

飽和-非飽和滲流理論中,多孔介質(zhì)滲流連續(xù)方程為:

式中:ρ為流體的密度,g/cm3;vi為流體的流速,m/s;Q*為流體的流量,m3/s;n、Sw分別為土體孔隙率和飽和度。

聯(lián)立以上兩個方程,可得飽和-非飽和微分方程:

(3)

式中:C(hc)為容水度,無量綱;Ss為貯水量,kg·m-2·s-2。

3 工程算例

3.1 工程概況與數(shù)值模型

研究區(qū)土石壩位于我國西南山區(qū)某地,壩址控制流域面積約6.57×104km2。壩體主要分為4個區(qū)域,分別為心墻、反濾層、過渡區(qū)及堆石壩料。壩頂寬15m,壩底寬305m,壩頂和壩底高程分別為2 875和2 580m,坡比為1∶2.0。采用ABAQUS建立數(shù)值計算模型,見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型

數(shù)值計算中,為了提高計算效率,假定土石壩為不透水地基,巖土體本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型。數(shù)值計算的巖土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗獲得,最終采用的力學(xué)參數(shù)見表1。此外,為了簡化計算,大壩底部按隔水邊界處理。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值

3.2 計算工況

已有研究表明,在水位變化情況下,材料不同的滲透系數(shù)對壩體的滲流場影響較大。為了研究大壩在竣工期、蓄水期末和穩(wěn)定期壩體不同滲透系數(shù)對壩體滲流場和穩(wěn)定性的影響,分別考慮滲透系數(shù)變化和滲透系數(shù)不變兩種情況下壩體內(nèi)力和滲流場的變化規(guī)律。

4 結(jié)果與分析

4.1 竣工期大壩滲流變形分析

圖2、圖3分別為大壩竣工期水平位移等值線分布和應(yīng)力水平等值線分布。結(jié)果表明,大壩朝向上游和下游的最大水平位移分別為0.9和1.7m。根據(jù)壩竣工期應(yīng)力水平等值線可知,高應(yīng)

圖2 竣工期水平位移等值線分布

圖3 大壩竣工期應(yīng)力水平等值線分布

力水平區(qū)域出現(xiàn)在心墻內(nèi)部。這是由于在竣工期最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在心墻坡腳位置,因心墻和壩體變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)明顯的“拱效應(yīng)”導(dǎo)致的。

4.2 蓄水期末大壩滲流變形分析

蓄水期末心墻壓強水頭和總水頭隨高程變化見圖4。結(jié)果表明,在k變化和k不變兩種情況下,蓄水末期壓強水頭隨高程的增大而減小,且兩種情況下,變化趨勢和具體數(shù)值的大小均保持相同。由圖4(b)可知,心墻總水頭隨高程增大而先增大后減小,其中高程為2 750m時為總水頭變化的的極值。此外,心墻黏性土滲透系數(shù)變化時,浸潤線之下心墻中線節(jié)點總水頭也減小。

圖4 蓄水期末心墻壓強水頭和總水頭隨高程變化

蓄水期末期心墻水力梯度和單寬流量隨加載步變化見圖5。由圖5(a)可知,對于k變化和k不變的情況下,最大出逸水力梯度隨加載步變化基本保持一致。其中,最大出逸水力梯度僅在第24加載步相差較大。其主要原因是由于滲透系數(shù)變化時,心墻滲透系數(shù)隨時間增大而減小。因此,最大出逸水力梯度也逐漸小于滲透系數(shù)不變的情況。由圖5(b)可知,隨著上游水庫蓄水位的增大,單寬流量逐漸變大,滲透系數(shù)不變的情況下,單寬流量的增幅遠(yuǎn)大于滲透系數(shù)變化的情況。

圖5 蓄水期末心墻水力梯度和單寬流量隨加載步變化

蓄水過程中,大壩水平位移最大值隨加載步的變化見圖6。由圖6可知,壩體水平位移最大值的整體趨勢隨加載步增加而增大。且滲透系數(shù)不變和滲透系數(shù)變化兩種情況下,水平位移表現(xiàn)的規(guī)律完全相同。其主要原因是由蓄水產(chǎn)生水壓力,且滲透系數(shù)隨加載步增大而減小,心墻透水性降低,滲流力減小所導(dǎo)致的。此外,滲透系數(shù)變化時的大壩水平位移整體大于滲透系數(shù)不變的工況。

蓄水過程中,滲透系數(shù)不變和變化情況下,大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值隨加載步的變化見圖7。結(jié)果表明,大小主應(yīng)力均隨加載步增大而逐漸減小。當(dāng)考慮心墻黏性土滲透系數(shù)變化時,大小主應(yīng)力最大值第18步出現(xiàn)突變,且該情況下的應(yīng)力最大值相較于滲透系數(shù)不變時均有所增加[7]。

4.3 穩(wěn)定期大壩滲流變形分析

考慮從開始蓄水后100年內(nèi)滲透系數(shù)變化和不變的情況下,心墻中線節(jié)點的壓強水頭、總水頭隨高程的分布規(guī)律見圖8。由圖8(a)可知,滲透系數(shù)變化和不變的兩種計算情況下,心墻中線節(jié)點壓強水頭隨高程的增大而線性減小,考慮心墻黏性土滲透系數(shù)變化時,壓強水頭有所減小。由圖8(b)可知,考慮滲透系數(shù)變化的情況下,浸潤線之下的總水頭也呈減小趨勢。

5 結(jié) 論

本文采用ABAQUS數(shù)值模擬,研究了土石壩在不同時期、心墻滲透系數(shù)變化與不變兩種情況下,大壩的變形及滲流規(guī)律。結(jié)論如下:

1)考慮心墻滲透系數(shù)變化和不變條件下,大壩的滲流及滲流-變形耦合結(jié)果總體變化規(guī)律基本相同,心墻滲透系數(shù)變化時,壩體和心墻的水平位移最大值均增大。心墻中線節(jié)點壓強水頭隨高程的增大而線性減小,考慮心墻黏性土滲透系數(shù)變化時,壓強水頭有所減小。浸潤線之下的總水頭也呈減小趨勢。

2)心墻滲透系數(shù)變化時,心墻的大主應(yīng)力和小主應(yīng)力均隨加載步的增大達(dá)到穩(wěn)定的時間也增大。工程防滲計算中,考慮心墻滲透系數(shù)變化的計算方法相較于滲透系數(shù)不變的簡化方式更為合理。