某土石壩加固前后滲流及壩坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

徐 宇

(江西省南昌市水利信息中心，江西 南昌 330038)

0 引 言

土石壩是迄今為止采用最多的一種壩型，在建造過(guò)程中可就近取材，且施工工序簡(jiǎn)單，各工序間干擾少，造價(jià)較為低廉。在20世紀(jì)50～70年代，我國(guó)建造了大量土石壩。但受限于當(dāng)時(shí)水利行業(yè)技術(shù)水平落后，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善等，在經(jīng)過(guò)了幾十年的運(yùn)行之后，殘留了大量病險(xiǎn)問(wèn)題。這些病險(xiǎn)水庫(kù)不但已經(jīng)難以滿(mǎn)足灌溉、防洪和供水等效益要求，而且在大暴雨等極端條件下極易發(fā)生垮壩，這對(duì)壩體本身及下游群眾而言將是毀滅性的打擊。因此，對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)的加固與防護(hù)已刻不容緩[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在土石壩滲流與壩坡穩(wěn)定分析方面開(kāi)展了大量的研究。如Tan[2]等采用蒙特卡洛模擬和隨機(jī)場(chǎng)理論研究比較了水力參數(shù)的變異系數(shù)和自相關(guān)距離對(duì)土石壩滲流量的影響；吳震宇和陳建康[3]采用縮減方差抽樣技術(shù)生成隨機(jī)變量樣本值、全局優(yōu)化算法搜索邊坡最小安全系數(shù)、Monte-Carlo法計(jì)算邊坡體系可靠度三種方法建立了一種較為簡(jiǎn)便實(shí)用的高土石壩壩坡穩(wěn)定體系可靠度分析方法；岑威鈞等[4]采用飽和—非飽和滲流有限元理論，研究討論了土工膜缺陷高程和缺陷尺寸對(duì)大壩浸潤(rùn)線(xiàn)及滲流量的影響規(guī)律。但是，關(guān)于病險(xiǎn)水庫(kù)土石壩滲流、壩坡穩(wěn)定及可靠度的研究仍然非常有限，需要深入研究。

本文針某水庫(kù)土石壩實(shí)際工程，采用了“黏土斜墻+貼坡排水”加固方案。采用Van Genuchten模型[5]描述土石壩材料的非飽和狀態(tài)，運(yùn)用GEOSTUDIO軟件結(jié)合蒙特卡洛模擬方法對(duì)某水庫(kù)土石壩加固前后進(jìn)行飽和—非飽和滲流穩(wěn)定分析，分別計(jì)算土石壩加固前后的安全系數(shù)及失穩(wěn)概率，并分析討論了計(jì)算結(jié)果，從而驗(yàn)證該加固方案的可靠性。

1 土石壩滲流及壩坡穩(wěn)定分析理論

根據(jù)達(dá)西定律和連續(xù)條件

(1)

(2)

可得二維滲流基本方程為

(3)

式中：H代表滲流場(chǎng)中該計(jì)算點(diǎn)的水頭值，m；kx、ky和vx、vy分別代表流線(xiàn)在x、y方向上的滲透系數(shù)及滲流速度。

在計(jì)算時(shí)，對(duì)于同一種土體材料通常假設(shè)kx和ky不隨坐標(biāo)的變化而變化。為了簡(jiǎn)便計(jì)算，可將各向異性的滲流場(chǎng)近似地化為均勻滲流場(chǎng)進(jìn)行分析。這時(shí)，可將式(3)進(jìn)行坐標(biāo)變換：

(4)

則在變換后的坐標(biāo)系XY中，存在：

(5)

實(shí)際工程中，土石壩一般處于非飽和狀態(tài)。通常采用土水特征曲線(xiàn)(SWCC)描述壩體內(nèi)的非飽和狀態(tài)。該函數(shù)曲線(xiàn)為高度非線(xiàn)性函數(shù)，許多學(xué)者針對(duì)土水特征曲線(xiàn)的代理模型進(jìn)行了深入的研究，其中Van Genuchten模型[2，5]能夠較為完整地貼合整個(gè)過(guò)程曲線(xiàn)，故本文采用Van Genuchten模型來(lái)描述土體含水量及壩體滲透系數(shù)與壩體基質(zhì)吸力之間的函數(shù)關(guān)系，其計(jì)算表達(dá)式為：

(6)

(7)

式中：Se為有效含水飽和度；θ為土體材料的體積含水量；θs和θr分別為土體材料的飽和體積含水量及殘余體積含水量；ψ為土的基質(zhì)吸力；a、n和m均為SWCC曲線(xiàn)擬合參數(shù)，且n>1；k為土體滲透系數(shù)；ks為土體飽和滲透系數(shù)。

在土石壩有限元非飽和滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，基于所獲得的滲流結(jié)果再進(jìn)行土石壩邊坡穩(wěn)定性分析，采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算壩坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的臨界安全系數(shù)FSmin。

由于蒙特卡洛模擬方法(MCS)計(jì)算簡(jiǎn)便，容易編程且可靠性較好。本文采用MCS方法考慮壩體材料參數(shù)不確定性對(duì)非飽和滲流土石壩進(jìn)行可靠度分析。同時(shí)，輸入各類(lèi)材料參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征包括均值、互相關(guān)系數(shù)矩陣、變異系數(shù)及分布類(lèi)型等，這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)可通過(guò)工程類(lèi)比、試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合和參考現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)告獲得。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某小(2)型水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，大壩存在的主要滲流問(wèn)題有：壩體填筑質(zhì)量差，上游壩坡無(wú)護(hù)坡保護(hù)，下游壩坡未設(shè)置排水設(shè)施，大壩局部滲漏，壩腳有多處散浸點(diǎn)；壩基與壩體存在接觸滲漏。本文針對(duì)實(shí)際滲流問(wèn)題，采取黏土斜墻結(jié)合貼坡排水措施對(duì)該病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行加固。

2.2 滲流有限元模型與材料參數(shù)

取某水庫(kù)的最大壩高橫斷面作為計(jì)算模型。該橫斷面的基礎(chǔ)高程為106.38 m，最大壩高14.45 m，壩頂寬度2.60 m，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.5。加固后壩頂寬度3.50 m，上游坡比1∶3.5，下游坡比1∶2.5。大壩正常蓄水位122.40 m，設(shè)計(jì)洪水位122.75 m，校核洪水位123.05 m，死水位109.55 m。下游高程114.50 m處設(shè)貼坡排水體，排水體頂寬取1.00 m，考慮壩基材料對(duì)壩體滲透穩(wěn)定的影響，取壩基影響深度3.00 m進(jìn)行建模。

在Seep/w中建立模型，加固后的模型共包括黏土斜墻、壩體、低液限黏土、壩基、貼坡排水5部分分區(qū)，各分區(qū)參數(shù)如表1所示?？紤]實(shí)際情況下，材料參數(shù)并非完全定值，而是隨著各類(lèi)因素的變化存在一定的變異性。參考實(shí)際工程，壩體內(nèi)摩擦角變異系數(shù)取0.15，粘聚力變異系數(shù)取0.25。有限元模型共離散為1 459個(gè)節(jié)點(diǎn)及2 649個(gè)三角形有限元單元，單元尺寸為1.00 m。并設(shè)置邊界條件水頭邊界。加固后土石壩最大壩高計(jì)算截面離散圖如圖1所示。

因?qū)嶋H工程中土石壩不可能全屬于飽和狀態(tài)，故需進(jìn)行非飽和滲流計(jì)算。通常，土石壩材料滲透系數(shù)是隨著土水特征曲線(xiàn)變化而變化的。壩體、貼坡排水及黏土斜墻則進(jìn)行非飽和滲流計(jì)算。

圖1 加固后壩體材料分區(qū)示意圖

材料類(lèi)型壩體土黏土斜墻(加固)壩基土貼坡排水夾層巖土類(lèi)別含礫低液限粘土低液限粘土強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖碎石含礫低液限粘土γ/(g/cm3)1.571.902.002.201.90c/(kPa)101545010φ/(°)2321304222ks/(m/s)5.5×10-67.0×10-71.5×10-71.0×10-49.0×10-6

本文使用SWCC曲線(xiàn)中的Van Genuchten模型對(duì)土石壩進(jìn)行非飽和滲流與壩坡穩(wěn)定分析，模型參數(shù)取值分別為[2]：土的飽和含水量θs取0.045，土水特征曲線(xiàn)擬合參數(shù)a、n、m分別取0.676 5 kPa、2.68、0.626 9，據(jù)此可建立壩體體積含水量和水平方向滲透系數(shù)k與土體基質(zhì)吸力的函數(shù)關(guān)系。下面給出壩體材料的基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)及體積含水量之間的函數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)圖，如圖2所示。

圖2 壩體材料基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)及體積含水量之間的函數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)圖

2.3 土石壩加固前后滲流與壩坡穩(wěn)定分析

本文對(duì)穩(wěn)態(tài)工況下的3種水位進(jìn)行加固前后的滲流穩(wěn)定分析，結(jié)果如表2。經(jīng)比較，土石壩加固后的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于加固前，滲流量及滲透坡降均有所下降，證明本文的加固措施是有效的、可靠的。

庫(kù)水位驟降工況為瞬態(tài)滲流工況，上游水位在48小時(shí)內(nèi)從正常蓄水位(122.40 m)降至死水位(109.55 m)，經(jīng)計(jì)算可得上、下游壩坡安全系數(shù)隨著時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn)。限于篇幅要求，下面只給出了瞬態(tài)庫(kù)水位加固后驟降工況歷時(shí)1 296 000 s時(shí)邊坡滲流與壩坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，在滲流分析結(jié)果的基礎(chǔ)上采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算的上、下游壩坡安全系數(shù)分別為2.502和1.847，滿(mǎn)足小型水利工程的設(shè)計(jì)規(guī)范要求1.15[6]。上、下游壩坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面如圖3和4所示。

表2 穩(wěn)定滲流工況下土石壩加固前后結(jié)果數(shù)據(jù)比較

圖3 加固后歷時(shí)1 296 000 s上游壩坡穩(wěn)定分析圖(FS=2.502)

圖4 加固后歷時(shí)1 296 000 s下游壩坡穩(wěn)定分析圖(FS=1.847)

在庫(kù)水位驟降工況下，加固前上游壩坡失穩(wěn)概率始終在0%附近發(fā)生極小的變化，下游壩坡失穩(wěn)概率則隨著水位的升高初始無(wú)明顯變化，在5 296 s之后快速減小，由初始的不符合規(guī)范到符合規(guī)范；加固后上游壩坡失穩(wěn)概率始終在0%附近發(fā)生極小的變化，下游壩坡失穩(wěn)概率則隨著水位的升高呈現(xiàn)極為緩慢降低的趨勢(shì)，且始終符合規(guī)范要求。當(dāng)壩體內(nèi)孔隙水壓力消散完全時(shí)，下游壩坡安全系數(shù)和失穩(wěn)概率逐漸趨于穩(wěn)定。由圖5可知，下游壩坡最大失穩(wěn)概率為0.26%，最小安全系數(shù)為1.194，在失穩(wěn)概率與結(jié)構(gòu)性能水平研究中該土石壩結(jié)構(gòu)性能處于安全水平[6]，由此可知此次除險(xiǎn)加固取得了預(yù)期的效果。

圖5 土石壩加固后下游壩坡安全系數(shù)和失穩(wěn)概率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖6 加固前后上游壩坡安全系數(shù)的比較圖

此外，為了說(shuō)明所采用的“黏土斜墻+貼坡排水”加固方案的有效性，分別用圖6和圖7比較了在庫(kù)水位驟降工況下土石壩加固前后上游壩坡安全系數(shù)和下游壩坡失穩(wěn)概率的變化過(guò)程。由圖可知，與加固前相比，土石壩加固后的上游壩坡安全系數(shù)提高了0.9左右，下游壩坡失穩(wěn)概率降低了接近2%，說(shuō)明本文所采用的工程加固措施是可行的、有效的。

3 結(jié) 論

圖7 加固前后下游壩坡失穩(wěn)概率的比較

本文針對(duì)某病險(xiǎn)水庫(kù)土石壩滲漏問(wèn)題，采用了“黏土斜墻+貼坡排水”加固方案，并且分析了加固后土石壩在庫(kù)水位驟降工況下的壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性。主要結(jié)論如下：

(1)庫(kù)水位驟降工況下，由于基質(zhì)吸力的存在，土石壩壩內(nèi)將發(fā)生逆向滲流，對(duì)上游壩坡穩(wěn)定具有不利的影響。當(dāng)壩體內(nèi)孔隙水壓力消散完全時(shí)，壩坡安全系數(shù)和失穩(wěn)概率才逐漸上升并趨于穩(wěn)定。實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免該工況的發(fā)生。

(2)加固后土石壩的浸潤(rùn)線(xiàn)有所下降，壩體滲流量有較為明顯的降低，且上、下游壩坡穩(wěn)定分析的壩體安全系數(shù)及失穩(wěn)概率均滿(mǎn)足規(guī)范要求。與加固前相比，土石壩加固后庫(kù)水位驟降工況下的上游壩坡安全系數(shù)提高了0.9左右，下游壩坡失穩(wěn)概率降低了接近2%，進(jìn)而證明了所采用的工程加固措施是可靠的、有效的。