粘土心墻壩庫水位驟降偶遇不同類型降雨上下游壩坡滲流與穩(wěn)定數(shù)值模擬

林 呀

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 建筑工程系,杭州 311231)

降雨-庫水位耦合是土石壩重要致災(zāi)誘因[1-2],其對壩坡的影響主要在于：1)降雨減小土體有效應(yīng)力及抗剪強(qiáng)度[3-4],從而導(dǎo)致壩坡滑動失穩(wěn);2)庫水位驟降會導(dǎo)致壩坡內(nèi)部的浸潤線存在一個“滯后”作用,滲流

563200394@qq.com力指向壩坡外[5-6],同時,上游水位的水壓卸載也是引起壩坡失穩(wěn)的重要因素[7-8].

降雨-庫水位耦合作用規(guī)律及作用機(jī)理方面,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究.試驗(yàn)方面,苗發(fā)盛[9]對庫水位變動邊坡失穩(wěn)規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn);李卓[10]對降雨-庫水位耦合機(jī)制展開室內(nèi)試驗(yàn);占清華[11]對軟弱夾層邊坡的失穩(wěn)規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析.數(shù)值模擬方面,胡致遠(yuǎn)等[12]對三峽庫區(qū)降雨-庫水位耦合進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;張少琴等[13]利用Geo-studio對三峽某庫區(qū)不同庫水位驟降速率以及降雨工況組合進(jìn)行了分析;張桂榮等[14]對三峽庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值評價.縱觀國內(nèi)外研究,很少有涉及庫水位驟降聯(lián)合不同類型降雨條件下的粘土心墻壩上下游壩坡穩(wěn)定性研究,對不同類型降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻的情況更是鮮有提及,事實(shí)上,庫水位驟降時間較長,在庫水位驟降過程中完全有可能發(fā)生降雨,而對降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻壩坡的滲透穩(wěn)定特性卻是沒有一個明確的認(rèn)識.

本文為全面研究降雨-庫水位耦合情況,以宜春某心墻壩為例,系統(tǒng)進(jìn)行了庫水位與降雨耦合工況的數(shù)值模擬分析.

1 計(jì)算模型與邊界條件

選擇宜春市溫湯河四方井水利樞紐工程粘土心墻壩的典型剖面為例,計(jì)算模型如圖1所示,地基厚度選取50 m,模型水平長度為300 m.計(jì)算模型網(wǎng)格圖如圖2所示,整個模型一共劃分為4 235個單元,4 183個節(jié)點(diǎn).邊界條件如下：bcde為正常蓄水與死水位邊界;efgh為降雨入滲邊界;hi為自由滲出邊界;ab,ak,ij為自由滲出邊界,jk為不透水邊界.

圖1 計(jì)算模型

圖2 模型網(wǎng)格

2 計(jì)算參數(shù)

粘土心墻壩的各分區(qū)參數(shù)根據(jù)野外勘測及室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行綜合確定,力學(xué)參數(shù)見表1,土水特征曲線如圖3所示.

表1 壩體材料力學(xué)參數(shù)

圖3 土水特征曲線

3 計(jì)算工況

闡明庫水位-降雨耦合機(jī)理,對庫水位驟降速率分別為0.5、1、1.5 m/d結(jié)合不同類型降雨進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值仿真分析,不同工況組合見表2,降雨時程曲線如圖4所示.

表2 計(jì)算工況

圖4 降雨歷程曲線

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 工況1

4.1.1 孔壓變化規(guī)律

不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化如圖5所示.由圖5可見,隨著庫水位的下降,不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓先減小后穩(wěn)定,最終庫水位(0.5,1,2 m/d)下降速率的孔壓幾乎一樣.同時,不同監(jiān)測點(diǎn)在庫水位驟降下的孔壓變幅不同,不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變幅分別為275、260、70、25 kPa,可見上游的孔壓降幅整體上要大于下游.

4.1.2 安全系數(shù)變化規(guī)律

不同庫水位下降速率下的安全系數(shù)變化規(guī)律如圖6所示.由圖6可見,上游壩坡與下游壩坡的安全系數(shù)的變化規(guī)律也不同,上游壩坡安全系數(shù)隨時間呈現(xiàn)不斷下降的趨勢,而上游壩坡則單調(diào)遞增,上游壩坡安全系數(shù)先降后升.對于下游壩坡,庫水位下降速率越快,安全系數(shù)在前期上升的越快,然而,最終的安全系數(shù)則趨于一致.上游壩坡的安全系數(shù)整體上要大于下游壩坡.

圖6 安全系數(shù)變化規(guī)律

4.2 工況2

4.2.1 孔壓變化規(guī)律

正常蓄水位聯(lián)合不同類型降雨條件下的不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律如圖7所示.由圖7可見,不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律較為一致,即在降雨時刻孔壓呈現(xiàn)一個突然的上升,隨后快速下降至原值.不同類型的降雨影響了上1,上2以及下2監(jiān)測點(diǎn)孔壓達(dá)到最大時刻的先后順序且降雨的鋒值發(fā)生的越晚,所能達(dá)到的最大孔壓值越大.而對于下1監(jiān)測點(diǎn)來說,孔壓到達(dá)最大時刻的先后順序與其他監(jiān)測點(diǎn)的順序一致,然而所能達(dá)到最大孔壓值不同類型降雨差異則不大.

圖7 孔壓變化規(guī)律

對于不同的安全系數(shù)升幅來說,上游壩坡處的監(jiān)測點(diǎn)的孔壓升幅總體上要小于下游壩坡,同時,同一壩坡的上部監(jiān)測點(diǎn)的孔壓升幅要大于下部監(jiān)測點(diǎn).4.2.2 安全系數(shù)變化規(guī)律

圖8 安全系數(shù)變化規(guī)律

不同工況下的上下游壩坡安全系數(shù)變化規(guī)律如圖8所示.由圖8可見,上下游壩坡的安全系數(shù)變化規(guī)律較為一致,均呈現(xiàn)在降雨過程中急劇下降,而在降雨結(jié)束后快速上升最后呈現(xiàn)不變的規(guī)律.不同類型降雨條件下,最小安全系數(shù)出現(xiàn)時刻的先后順序分別是前鋒型,中鋒型,平均型以及后鋒型.

4.3 工況3

4.3.1 孔壓變化規(guī)律

不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律如圖9所示.由圖9可見,上下游壩坡的孔壓變化存在巨大差異.上游壩坡監(jiān)測點(diǎn)孔壓變化的主控因素為庫水位變化.總體孔壓單調(diào)下降;下游壩坡孔壓則出現(xiàn)大幅上升情況,值得注意的是,不同類型降雨的最大孔壓不同.

圖9 孔壓變化規(guī)律

4.3.2 安全系數(shù)變化規(guī)律

上下游壩坡安全系數(shù)的變化規(guī)律如圖10所示.對于上游壩坡來說,降雨相對庫水位而言越靠后,最小安全系數(shù)越小,不同類型降雨下,變化規(guī)律則類似,但數(shù)值略有差異.對于下游壩坡來說,安全系數(shù)單調(diào)遞增,降雨使得安全系數(shù)陡然下降,降雨峰值越前,最低安全系數(shù)越早出現(xiàn).

圖10 安全系數(shù)變化規(guī)律

5 結(jié) 論

1)庫水位驟降下孔壓先減小后不變,下降速率與孔壓降幅成正比.

2)正常蓄水位加不同類型降雨條件下在降雨時刻孔壓呈現(xiàn)一個突然的上升,隨后快速下降至原值,不同類型降雨使得孔壓峰值大小與孔壓到達(dá)最大的時間不同;安全系數(shù)在降雨過程中急劇下降,而在降雨結(jié)束后快速上升最后呈現(xiàn)不變,上游壩坡的安全系數(shù)在不同類型降雨下的安全系數(shù)整體上要大于下游壩坡.

3)降雨類型耦合庫水位驟降工況發(fā)生在庫水位驟降不同時刻下上游監(jiān)測點(diǎn)孔壓變化對上游壩坡監(jiān)測點(diǎn)不敏感,而對下游壩坡監(jiān)測點(diǎn)孔壓敏感,安全系數(shù)在降雨發(fā)生時刻有個突然下降的過程.