考慮水位升降的土石壩動態(tài)穩(wěn)定性分析方法研究

楊少博 曾 月

（重慶交通大學 水工建筑物健康診斷技術(shù)重慶市高校工程研究中心, 重慶 400074）

1 概述

從土石壩長期工作過程來看，庫水位處于周期性的變化之中。位于水位變動區(qū)的土石料應特殊考慮，張芳枝[1]對多次干濕循環(huán)后的黏土試樣開展三軸試驗，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)后的試樣的有效內(nèi)摩擦角和吸力內(nèi)摩擦角較初始值分別降低了10%和15%。劉新榮[2]以泥質(zhì)砂巖為研究對象，發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)砂巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減少，且黏聚力、內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)之間存在函數(shù)關(guān)系。穆坤[3]在研究干濕循環(huán)對紅黏土長期性能的影響后發(fā)現(xiàn)壓實紅黏土和黏聚力與內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)的增加而衰減，首次干濕循環(huán)之后衰減效應最顯著，其后較弱并趨于穩(wěn)定。還有學者[4-6]研究了不同巖土體干濕循環(huán)后的力學特性，均得到了相似的結(jié)論。

目前常采用經(jīng)典的條分法對土石壩壩坡進行穩(wěn)定性分析，這種方法僅針對土石壩在某一固定水位下土體特定強度參數(shù)指標的最小安全系數(shù)。這種方法并不能反映水位變動作用下穩(wěn)定性系數(shù)的變化過程，因此對水位變化誘導下的壩坡穩(wěn)定性動態(tài)過程分析顯得很有必要。

2 動態(tài)穩(wěn)定性分析方法

假設下游水位穩(wěn)定，上游高水位和低水位情況下浸潤線差別較大，部分土體在動態(tài)水位作用下受到周期性飽水-疏干作用，其強度指標將隨之發(fā)生改變，進而影響壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 算例分析

在建的兩河口水電站位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，大壩為心墻土石壩，筑壩材料為砂巖料，心墻材料為摻粒粘土，壩基為變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖相間分布。壩頂高程2875m，最大壩高295m，水庫正常蓄水位2865m，度汛期蓄水位2795m。壩頂寬度為16m，上游邊坡為1:2，下游綜合邊坡為1:1.9，對壩體區(qū)域進行簡化。

根據(jù)正常水位和度汛期水位計算兩種工況下土石壩內(nèi)浸潤線；利用瑞典圓弧法確定最危滑弧位置，并將圓弧劃分為16塊，編號如圖所示；粘土心墻料天然重度18k.0N/m3,飽和重度20.0kN/m3，黏聚力8.0kN/m3，內(nèi)摩擦角21.0°，壩體砂巖料天然重度25.3kN/m3,飽和重度25.6kN/m3，黏聚力10.1kN/m3，內(nèi)摩擦角45.1°。

在經(jīng)歷了1次、5次、10次、15次、20次干濕循環(huán)后，壩坡安全系數(shù)依次降低了0.159、0.217、0.241、0.255、0.267。安全系數(shù)在進行一次循環(huán)后下降幅度較大，在經(jīng)歷五次循環(huán)后下降速率降低，在進行十次循環(huán)后安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。

4 數(shù)值分析

采用Plaxis有限元軟件對本文案例進行數(shù)值分析。根據(jù)設計單位的資料，壩基基底為中風化的砂質(zhì)泥巖，假定其為不透水邊界，坡體底邊固定約束水位邊界，其他為自由邊界。構(gòu)造二維平面應變有限元計算模型。網(wǎng)格通過搜索最優(yōu)三角形單元，生成微結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格。模型共剖分525個15節(jié)點有限元網(wǎng)格單元，共計4403個節(jié)點。為了保證計算結(jié)果的準確性，在坡腳處增大了網(wǎng)格的密度。

根據(jù)實際工程需要選擇理想彈塑性和摩爾-庫倫屈服準則進行數(shù)值模擬。模擬兩種不同工況下土石壩上下游水位，得到兩條典型浸潤線。將兩條浸潤線之間的部分獨立出來，改變這部分土體的參數(shù)模擬水位變動對土石壩造成的影響，其他參數(shù)不變，用Plaxis內(nèi)嵌的Phi-C折減程序?qū)纹逻M行強度折減分析，在程序中系數(shù)定義為強度折減系數(shù)。數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示，安全系數(shù)在經(jīng)過1次、5次、10次、15次、20次循環(huán)后依次下降了0.053、0.07、0.23、0.242、0.307。

5 討論

分析表明，隨著水位變動次數(shù)的增加，兩河口土石壩的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低，在經(jīng)歷20次循環(huán)后，安全系數(shù)的減小值接近0.3。但兩種方法得到的衰減規(guī)律不盡相同。利用圓弧條分法得到的安全系數(shù)在經(jīng)歷了1次循環(huán)后大幅降低，隨著循環(huán)次數(shù)的增加安全系數(shù)的減小趨勢放緩，在10次循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定。通過數(shù)值模擬得到的結(jié)果，安全系數(shù)的變化趨勢相對平緩，只有在5次至10次循環(huán)之間變化較大。

瑞典圓弧法是通過事先假定最危險滑弧的位置，逐個計算每個條塊的受力情況，以整個滑動體受到的抗滑力與滑動力的比值作為壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。有限元分析利用強度折減法確定安全系數(shù)的原理是首先對于某一假定的強度折減系數(shù)FS，將土的強度參數(shù)c，tanj同時進行折減，通過逐級加載的彈塑性有限元數(shù)值計算來確定邊坡內(nèi)的應力場、應變場或位移場，并且對應力、應變或位移的某些分布特征以及有限元計算過程中某些數(shù)學特征進行分析，反復試算直至程序不收斂為止，取得壩坡穩(wěn)定系數(shù)。相較而言，前者在假定壩體的滑動面時需要先根據(jù)4.5H法或36°線法確定圓弧圓心的位置，再根據(jù)經(jīng)驗確定圓弧半徑。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，壩內(nèi)土體的應變更多的集中在受水位變動影響的那部分土體，這就導致壩坡的滑動面不再是常規(guī)的圓弧形，而是一種折線與弧線復合的形態(tài)。這一特征在經(jīng)歷10次循環(huán)后尤為明顯，表現(xiàn)為數(shù)值模擬的結(jié)果在10次循環(huán)后安全系數(shù)下降幅度較大。其次，前者的浸潤線是建立在對大壩滲流條件做某些簡化假設的基礎(chǔ)上的一種解析計算方法，其基本假設與實際情況往往存在出入，使得計算結(jié)果誤差較大。后者是將實際的滲流場離散為有限個節(jié)點相互聯(lián)系的單元體，首先求得單元節(jié)點處的水頭，同時假定在每個單元內(nèi)的滲透水頭呈線性變化，進而模擬出滲流場作用下的壩內(nèi)水頭。

兩種方法得到的規(guī)律不同主要是受限于傳統(tǒng)瑞典圓弧法的一些局限性?？紤]到數(shù)值模擬的建模計算過程相對復雜，且兩種方法計算的在循環(huán)20次后得到的結(jié)果僅相差0.040，采用改進后的瑞典圓弧法判斷土石壩在多次循環(huán)后的壩坡穩(wěn)定性仍具有一定的參考價值。

6 結(jié)論

通過引入巖體在干濕循環(huán)作用下的力學參數(shù)劣化規(guī)律，對圓弧-條分法確定壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的公式進行修正。對土石壩滲流進行數(shù)值模擬，經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)兩種方法計算出的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的減少值均接近0.3，但受制于瑞典圓弧法的一些缺陷，導致兩種結(jié)果的演化規(guī)律不完全相同。在土石壩的規(guī)劃設計過程中，以多次水位升降后的的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)作為設計值來判斷壩坡的穩(wěn)定性更為準確。