動水荷載作用下粉土圍壩力學響應研究

張宏博，于一凡，宋修廣

（1.山東大學 土建與水利學院，濟南 250061；2.山東省路基安全工程技術研究中心，濟南 250061）

水文水資源

動水荷載作用下粉土圍壩力學響應研究

張宏博1，2，于一凡1，2，宋修廣1，2

（1.山東大學 土建與水利學院，濟南 250061；2.山東省路基安全工程技術研究中心，濟南 250061）

為揭示動水荷載作用下粉土圍壩力學參數(shù)的變化規(guī)律，通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬，分別研究了干濕循環(huán)及風浪影響下粉土圍壩的力學響應。結果表明：原狀粉土在經(jīng)歷2次以上干濕循環(huán)后，抗剪強度顯著降低，且隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，降低幅度逐漸減小；在周期性波浪荷載作用下，粉土圍壩迎水坡產(chǎn)生震蕩超孔隙水壓力，且隨時間動態(tài)累積，有效應力降低嚴重；孔隙水壓力增大到一定值后將趨于穩(wěn)定，孔壓穩(wěn)定時間隨波浪周期的增大而增大。該結論的得出為天然粉土壩坡的短期和長期穩(wěn)定性評價、揭示粉土圍壩滑坡機理以及建立壩坡坍塌預測模型奠定了理論基礎。

粉土圍壩；干濕循環(huán)；波浪荷載；抗剪強度；孔隙水壓力；有效應力

水庫在運營期間大壩處于開放的自然環(huán)境中，長期受到降雨入滲、波浪荷載沖擊、庫水位漲落等惡劣環(huán)境條件的影響，使筑壩材料物理力學性質(zhì)隨運營時間的增加而衰減。

黃泛平原區(qū)水庫大多為就地取土的圍壩型水庫，筑壩材料為土性不良的粉性土，由于該類土具有弱可塑性、低黏結性、高分散性等性質(zhì)，且具有極強的水敏感性特征，在庫水位漲落、降雨滲透、波浪等動水荷載作用下，壩體強度極易降低，嚴重影響粉土圍壩的安全運營，因此有必要對粉土的干濕循環(huán)特性及波浪荷載作用下的動力響應進行研究。目前，國內(nèi)外主要研究成果多是針對膨脹土［1-2］、黏性土的干濕循環(huán)強度衰減規(guī)律及粉土海床［3-5］的波浪荷載動力響應問題，而對粉土圍壩的水—土耦合作用規(guī)律研究較少，本文將對動水荷載（干濕循環(huán)、波浪荷載）作用下粉土圍壩的力學響應進行研究，以期為粉土圍壩壩體坍塌預測防護和治理提供理論依據(jù)。

1 粉土干濕循環(huán)試驗

在雨水入滲蒸發(fā)或庫水位漲落等因素影響下，圍壩長期處于“濕潤—風干”的循環(huán)狀態(tài)，干濕循環(huán)效應對土體的強度有較大影響。為研究粉土強度參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，設計了無荷條件下的干濕循環(huán)試驗（實際情況下，除表層土體外，均承受豎向荷載）。

1.1 干濕循環(huán)試驗方案

試驗所用粉土取自坡面以下1.0m深處，取好的土樣用保鮮膜密封好后放入保濕箱內(nèi)保存，整個取土、保存過程中盡量避免對土樣的擾動。

首先采用烘干法測定了原狀粉土的天然含水率為20.56%，然后制取原狀粉土12個環(huán)刀直剪試件（h=20mm，φ=61.8mm），將試件分為6組，每組2個試件，其中第1組做原狀土的直剪試驗，其余5組分別進行1次，2次，3次，4次，5次干濕循環(huán)，然后按照試驗規(guī)程做經(jīng)不同干濕循環(huán)次數(shù)的直剪試驗，測定試件的抗剪強度，然后根據(jù)剪切定律確定粉土的抗剪強度指標φ和c，每組取兩個試件的平均值。試件放在陽光下進行干燥（在夏季進行），待試樣質(zhì)量接近土顆粒質(zhì)量 （根據(jù)含水率確定）時用滴管滴水使試件逐漸濕潤，盡量保證滴入的水分能均勻的滲透到試件中及濕潤后的試件與原狀土的含水率相同或相近，因每個試件的原質(zhì)量基本相同，濕潤后只需保證試件的總質(zhì)量與原狀土試件的總質(zhì)量相等即可。

1.2 試驗結果

按照上述試驗方案對原狀粉土經(jīng)不同干濕循環(huán)次數(shù)后的抗剪強度指標進行室內(nèi)試驗，其結果如表1。

表1 抗剪強度指標

從表1可以看出原狀粉土的抗剪強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸衰減：①黏聚力在第1次干濕循環(huán)之后相對0次循環(huán)下降了13.96%，內(nèi)摩擦角下降了9.89%；②黏聚力在第2次干濕循環(huán)之后相對1次循環(huán)下降了12.64%，內(nèi)摩擦角下降了8.86%；③黏聚力在第5次干濕循環(huán)之后相對4次循環(huán)下降了1.36%，內(nèi)摩擦角下降了1.52%。

可以看出黏聚力和內(nèi)摩擦角在1次、2次干濕循環(huán)后下降的幅度較大，之后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加變化幅度趨于平緩。經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，黏聚力衰減了32.06%，內(nèi)摩擦角衰減了26.24%。總之，原狀粉土在經(jīng)歷不少于2次干濕循環(huán)后，土顆粒排列順序發(fā)生變化，改變了土體內(nèi)部的應力狀態(tài)，致使其內(nèi)部結構遭到疲勞損傷破壞，抗剪強度發(fā)生較大衰減，對于粉土結構物，其安全系數(shù)將顯著降低。

2 波浪荷載數(shù)值模擬

平原水庫蓄水后，形成較寬廣的水面，風區(qū)擴大也使吹程急劇增加，因此庫區(qū)風場所造成的風浪波高也得到了較大提高，風浪對邊坡穩(wěn)定的影響已不可忽略。下面將用FLAC軟件計算波浪作用下粉土圍壩的動力響應，包括孔隙水壓力響應、有效應力響應、總應力響應、土體液化及循環(huán)波浪作用下粉土圍壩孔壓穩(wěn)定時間。

2.1 計算工況

根據(jù)平原水庫現(xiàn)場實際情況，按照莆田試驗站波浪要素計算公式［6］，并考慮波浪破碎時自由水面與壩坡接觸位置處的波壓力，選取3種計算工況如表2。

表2 計算工況

波浪在自由水面處產(chǎn)生的波壓力將沿水深發(fā)生衰減，沿深度方向直線變化，波浪產(chǎn)生的波壓力隨時間和水平位置的變化規(guī)律為：

式中 p0為波壓力幅值；x為相對于節(jié)點的水平坐標；L為波的長度；T為波周期；t為時間。

2.2 模型建立

2.2.1 模型尺寸

壩高15m，壩頂寬6m，壩坡1∶2.5，壩前水位10.5m，壩后水位2m，壩底基礎寬106m，高20m，整個模型厚度方向取1m，3個方向的網(wǎng)格點距離均為1m，在壩前坡水面以下0.5，5.5，10.5m處布置了6個監(jiān)測點，測點A、B、C位于泥面下1m，測點D、E、F位于泥面下2m，如圖1。實時輸出6個位置處的動力響應。

圖1 模型示意圖

2.2.2 邊界條件

模型基礎底面z方向固定，左右兩側(cè)x方向固定，沿縱向y方向位移為零；模型基礎底面不透水。

2.2.3 粉土參數(shù)

重度20kN/m3，體積模量1.62e6，剪切模量5.4e5N/m2，孔隙率0.4，內(nèi)摩擦角30°。

2.3 數(shù)值模擬

2.3.1 粉土圍壩初始平衡狀態(tài)

施加波浪荷載前，在壩前壩后分別施加靜水壓力，壩前坡腳處靜水壓力105kPa，壩后坡腳處靜水壓力20kPa，沿深度方向的變化率10kPa，使粉土圍壩在靜水條件下達到平衡狀態(tài)。

粉土圍壩的初始平衡如圖2。靜水條件下，同一縱斷面內(nèi)孔隙水壓力隨深度線性分布，飽和土在每個測點的孔隙水壓力等于該位置處的靜水壓力。

從圖2中可以看出，孔隙水壓力由壩前向壩后遞減，總應力與有效應力沿深度遞增，基本沿壩中心線對稱分布，剪應變增量最大值發(fā)生在壩頂兩側(cè)，說明此處受到的剪應力最大。

圖2 粉土圍壩的初始平衡狀態(tài)云圖

2.3.2 粉土圍壩波浪響應

模型在靜水壓力作用下達到初始平衡狀態(tài)，之后開始計算動力問題。打開動態(tài)模塊和滲流模塊，土體改用Finn模型，然后施加波浪荷載進行動力計算。波浪荷載屬于周期動荷載，隨時間變化。FLAC3D不能直接施加波浪荷載，本文使用FISH語言對模型施加波浪荷載。

下面以工況2為例分析粉土圍壩的波浪響應。

圖3 施加波浪荷載后粉土圍壩應力云圖

施加波浪荷載后，壩體內(nèi)部應力云圖發(fā)生明顯改變，壩前孔隙水壓力明顯增大，壩前有效應力明顯減小，甚至出現(xiàn)正值，而總應力基本不變，剪應變增量增大范圍呈圓弧狀，由壩頂延伸至壩底。

圖4 監(jiān)測點孔壓與總應力時程變化（負值為總應力，正值為有效應力）

循環(huán)波浪荷載對圍壩邊坡的影響主要是通過改變土體內(nèi)部的孔隙水壓力來實現(xiàn)的，從圖3、圖4的孔隙水壓力、有效應力、總應力變化圖中可以看出，在波浪荷載對粉土圍壩的循環(huán)波壓力作用下，壩體坡面一定深度范圍內(nèi)的有效應力場和孔壓場都隨著時間和空間發(fā)生變化，壩坡不同深度位置處的孔隙水壓力產(chǎn)生了周期性的震蕩，并隨時間產(chǎn)生動態(tài)累積，以致出現(xiàn)震蕩超孔隙水壓力，而波浪作用過程中總應力無累積現(xiàn)象，根據(jù)有效應力原理，土體中有效應力隨時間逐漸降低，甚至導致邊坡土體液化，從圖2中可以看出，壩坡一定深度范圍內(nèi)的有效應力已大于0，土體已部分液化，喪失抵抗剪切的能力，甚至出現(xiàn)壩坡滑塌或潰壩的潛在危險。當孔隙水壓力增大到一定值后將趨于穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)波動。

從圖4中可以看出，深度較深處總孔隙水壓力值越大，且孔隙水壓力增量越大，深度較淺處孔隙水壓力震蕩幅值較大。同一深度位置處，靠外的測點的孔隙水壓力大于靠內(nèi)的測點。

2.3.3 孔壓穩(wěn)定時間

波浪荷載作用下，壩坡不同位置處的孔隙水壓力增大到一定值后將趨于穩(wěn)定，為此計算上述3種工況下粉土圍壩的動力響應，得出6個監(jiān)測點的孔壓穩(wěn)定時間隨波浪周期的變化規(guī)律如圖5。

圖5 各測點孔壓穩(wěn)定時間隨波浪周期的變化

從圖5可以看出，對于壩坡不同深度位置處，其孔壓穩(wěn)定時間均隨波浪周期的增大而增大，越靠近水面處，由于波壓力幅值較大，土體的孔隙水壓力很快達到其峰值，有效應力迅速減小，故其孔壓穩(wěn)定時間越短。由于水平方向測點間距較小，其孔壓穩(wěn)定時間相差不大。不同周期波浪作用下，對于A、D測點，其孔壓穩(wěn)定時間為3T～4T（T為周期）；對于B、C、E、F測點，其孔壓穩(wěn)定時間為5T～7T。

3 結語

（1）原狀粉土在經(jīng)歷不少于2次干濕循環(huán)后，其內(nèi)部結構遭到疲勞損傷破壞，抗剪強度發(fā)生較大衰減，之后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加衰減幅度趨于平緩。

（2）波浪荷載作用下，粉土圍壩壩坡不同深度位置的孔隙水壓力產(chǎn)生周期性的震蕩，并隨時間產(chǎn)生動態(tài)累積，使土體中有效應力逐漸降低，導致邊坡土體液化，土體抗剪強度大幅降低。

（3）波浪荷載作用下，壩坡孔隙水壓力增大到一定值后將趨于穩(wěn)定，此孔壓穩(wěn)定時間隨波浪周期的增大而增大。

（4）該結論的得出為天然粉土壩坡的短期和長期穩(wěn)定性評價、揭示粉土圍壩滑坡機理及建立壩坡坍塌預測模型奠定了理論基礎。

（5）實際情況下，粉土圍壩的干濕循環(huán)效應是在有荷條件下發(fā)生的，因此，有荷條件下粉土的干濕循環(huán)試驗有待進一步補充，以確定真實情況下粉土的抗剪強度指標隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律；對不同坡比、水深等工況下粉土圍壩的波浪響應需做進一步的數(shù)值模擬和模型試驗，以期為不同條件下粉土圍壩壩體坍塌預測防護和治理提供依據(jù)。

［1］楊和平，張銳，鄭健龍.有荷條件下膨脹土的干濕循環(huán)脹縮變形及強度變化規(guī)律［J］.巖土工程學報，2006，28（11）:1936-1941

［2］呂海波，曾召田，等.膨脹土強度干濕循環(huán)試驗研究［J］.巖土力學，2009，30（12）:3797-3802.

［3］張民生.波浪作用下黃河三角洲海床穩(wěn)定性研究［D］.大連：中國海洋大學，2006.

［4］武伯弢.波浪荷載作用下砂質(zhì)粉土海床的液化研究［D］.上海：同濟大學，2009.

［5］吳夢喜，樓志剛.波浪作用下海床的穩(wěn)定性與液化分析［J］.工程力學，2002，19（5）:97-102.

［6］顏宏亮，閆濱.水工建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

Mechanical response research of silt dam under hydrodynamic load

ZHANG Hong-bo1,2，YU Yi-fan1,2，SONG Xiu-guang1,2
（1.School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Subgrade Security Engineering Research Center of Shandong Province，Jinan 250061，China）

In order to reveal the change rule of mechanical parameters of silt dam under hydrodynamic load,mechanical response of silt dam under cyclic wetting-drying and stormy waves was studied respectively through laboratory test and numerical simulation.The results showed that shear strength of undisturbed silt decreased significantly after more than 2 times of cyclic wetting-drying,and the decreasing amplitude decreased gradually with the increase of cycle number.Excess pore water pressure of silt dam upstream slope oscillated under wave load and accumulated dynamically with time,which led to decrease of effective stress seriously.The pore water pressure would tend to be stable when it increased to a certain value.The pore pressure stabilization time increased as the wave period increased.This conclusion established the theoretical foundation for stability evaluation of natural silt dam slope in short term and long-term,revealing landslide mechanism of silt dam and prediction model establishment of dam slope collapse.

silt dam;cyclic wetting-drying;wave load;shear strength;pore water pressure;effective stress

P341

A

1672-9900（2015）02-0001-05

2015-03-06

山東省科技發(fā)展計劃（2011GGH21607）；濟南市科技發(fā)展計劃（201218001）

張宏博（1978-），男（漢族），山東濟寧人，副教授，主要從事巖土工程與道路工程的研究工作，（Tel）15552582796。