壩坡墊層料降雨沖蝕破壞機理研究

何芳嬋，李 威，褚青來，呂正勛，李世偉

(1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 2.河南省水利工程安全技術重點實驗室，河南 鄭州 450003； 3.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024； 4.河南省燕山水庫管理局，河南 葉縣 467224)

統計表明，滲流是造成土石壩、土質邊坡等水利工程失事的主要原因之一[1]。特別地，對土石壩而言，在汛期庫水位上漲明顯，滲流場已經產生變化，若再遭遇強降雨，可能引起土石壩的滲透破壞和壩坡失穩。因此，強降雨條件下土石壩的滲流分析是評價壩體安全的重要依據。對于土石壩墊層料，人們往往更關注其在建設過程中的力學特性及填筑標準[2-3]，相關滲流分析則較少[4]。李子陽[5]分析了水位驟變下土石壩非穩定滲流及穩定性，倪沙沙[6]研究了降雨入滲對土石壩滲流場及壩坡穩定性的影響，張朝暉等[7]研究了土石壩心墻裂縫在反濾層保護下的沖蝕特性。此外，孫玉蓮[8-11]等研究了降雨條件下壩體的變形、穩定與滲流特性。總體而言，在恒定水頭作用下，土的滲透性確實具有時效自密性，滲透量隨持續時間呈遞減趨勢。但在變水頭、高水力梯度作用下，土的滲透規律會存在偏離達西滲透的現象。目前，對于墊層料在強降雨引起的變水頭、高水力梯度作用下的沖刷特性研究并不充分。

以燕山水庫大壩為例，從下游壩坡隱患區域的查勘、試驗、分析情況看，下游壩坡出現隆起、塌陷、出沙現象的主要原因是由墊層料受雨水入滲引起，原墊層料中含泥量及超小粒徑砂礫料過多，細砂礫料受水流沖蝕后流失嚴重，進而造成在壩坡中部以下部位出現預制塊太閑，壩坡下部出現預制塊隆起，馬道處出現的出沙現象。

因此，本文從實際工程問題出發，以燕山水庫大壩為例開展了有限元瞬態流固耦合分析，重點分析了強降雨入滲對下游壩坡墊層料沖蝕破壞機理，并根據分析結果提出了防沖蝕的具體措施，為相關工程提供參考。

1 壩坡降雨入滲分析

1.1 工程概況及計算模型

燕山水庫工程總庫容9.25×108m3，工程等別和規模屬II等大(2)型。大壩全長約4 070 m(樁號0+650―4+720)，大壩壩頂高程117.8 m，最大壩高34.7 m，壩頂寬8.45 m。大壩上游坡分兩級，為1∶3.0和1∶3.5。下游坡亦為兩級，自上而下坡率為1∶2.25和1∶2.5，于變坡高程107 m處設2.0 m寬馬道。壩體采用混合型，即選用粘土斜墻壩作為燕山水庫主壩河槽段和左岸階地壩高較高壩段(樁號2+700以右)的代表壩型，該段采用混凝土防滲墻垂直防滲；左岸臺地較低壩段(樁號2+700以左)選用均質土壩為代表壩型，加粘土截水槽。

根據盡量利用開挖料的原則，下游壩殼任意料區主要采用泄水、輸水區開挖的石渣和溢洪道尾水渠開挖的第三系粘土質砂巖、砂礫巖填筑。

根據設計圖紙，針對實際工程情況，建立河床壩段4+265―4+600斷面三維精細化有限元計算模型，如圖1(a)所示。模型共154 869個節點，146 612個單元。建基面以下取到47 m高程位置作為底部截斷邊界，上下游側從壩腳向兩側取一定范圍作為順河向截斷邊界，壩軸線方向取4+265至4+600壩段作為研究對象。模型底部設置三向約束，四周設置法向約束。取建基面作為初始0孔壓邊界。其中2+475為典型斷面，如圖1(b)所示。

1.2 計算參數及方案

鄧肯E-B模型是近年來應用最為廣泛的模型之一，其主要優點為：物理概念清晰，計算簡單；模型參數少且都可由常規的三軸實驗測定；應用時間較長，積累了大量的工程經驗。基于以上原因，在本文的計算中也選用鄧肯E-B模型，主要模型參數如表1所示。

針對極端降雨情況進行模擬，研究降雨歷時過程中，壩體下游坡飽和區域變化以及由降雨所引起的局部孔壓變化情況。本次模擬的降雨強度曲線如圖2所示。0～24 h，降雨強度從0 mm/h增加到20 mm/h；24～48 h，降雨強度保持20 mm/h；48～72 h，降雨強度由20 mm/h降到0 mm/h。累計降雨量為960 mm，降雨歷時3 d。

圖1 壩體有限元網格Fig.1 Finite element mesh of the dam

表1 主要材料模型計算參數

圖2 降雨強度曲線Fig.2 Rainfall intensity curve

1.3 不同降雨強度下壩體滲流分析

不同時刻壩體由降雨入滲導致的飽和區域如圖3所示。0～24 h，降雨強度逐漸增強，壩體下游任意料內部逐漸出現飽和帶，由于降雨強度較低(24 h累計降雨240 mm)，如圖3(a)所示，此時壩體內部飽和區域較小，出現在下游壩坡墊層料下部淺層位置。隨著降雨持續，24～48 h時間段內，累計降雨480 mm，且降雨強度一直持續在20 mm/h，此時壩體下游任意料出現較大區域的飽和區，最大飽和深度達到5 m，如圖3(b)所示。48～72 h，降雨強度逐漸降低，下游壩體任意料中的飽和區中孔隙水通過墊層料逐漸排出壩體外部，壩體內部飽和區域逐漸減少，如圖3(c)所示。

圖3 降雨后下游壩坡孔壓分布云圖(單位：kPa)Fig.3 Cloud map of hole pressure distribution of downstream Dam Slope after rainfall

2 壩坡沖蝕破壞機理分析

2.1 滲流力

水在滲流過程中將受到土粒的阻力，同時水對土粒也產生一種反作用力。這種由于水的滲流作用對土粒產生的力，成為滲透力。滲透力j是一種體積力，單位為kN/m3，作用方向與滲透方向一致，其值等于水力坡降i與水的重度γw的乘積：

j=iγw

(1)

滲透力j的方向不同對土體的作用也不同，如圖4所示，當滲流方向自上而下時，滲透力j方向與重力G方向一致(圖中a點)，增大了土粒間作用力，對土體穩定有利；反之，若滲流方向是自下而上，與土重方向相反(圖中c點)，滲透力減小土粒間的作用力，對土體穩定不利。當向上的滲透力大于土的浮重度時，土粒會被滲流挾帶向上涌出，這是引起土體滲透變形的根本原因。顯然，要了解土體滲透變形的機理，就必須了解滲透力的作用機理。另外，地基、土壩和基坑邊坡也常有滲流，在進行穩定分析時也必須考慮滲透力的影響。

2.2 壩坡降雨沖刷

圖5為墊層料在降雨過程中最大合成水力梯度矢量圖，圖6為水平流速矢量圖。

由墊層料滲流矢量圖可知，107 m高程以上，滲流方向指向壩體內部，表明該段是降雨引起的入滲；96～107 m高程段，滲流流速合成圖表明滲流方向同樣指向壩體內部，但方向趨近于和壩坡平行，結合水平滲流矢量圖來看，該段水平滲流分量指向壩外側，表明該段有部分入滲水從壩坡排出壩外；96 m高程以下，入滲水滲流合成方向幾乎與壩坡平行，且該段水平滲流流速更大。

圖4 土體滲透示意圖Fig.4 Schematic diagram of soil penetration

圖5 降雨過程中最大合成水力梯度矢量圖Fig.5 The maximum synthetic hydraulic gradient vector graph during rainfall

圖6 降雨過程中最大水平向水力梯度矢量圖Fig.6 The maximum horizontal hydraulic gradient vector graph during rainfall

通過對蓄水期壩體滲流特性進行分析，壩體防滲體系效果良好，庫區水通過壩體防滲體系后，水頭迅速折減，壩體滲流通過反濾和排水體排出壩體，滲流水不會進入下游任意料。下游壩體只有在降雨情況下，才會有水進入下游墊層料和任意料，進而對墊層料產生沖蝕作用。

因此，在下文分析中，將只分析強降雨對表層墊層料的沖刷，而不需考慮壩體內部滲流對表層的作用。未受降雨沖蝕前，根據篩分試驗，壩坡墊層料的初始級配如圖7所示。

圖7 壩坡墊層料初始級配Fig.7 Initial gradation of dam slope bedding material

由圖5和圖6可知，壩坡水力梯度最大值為1.335，最小水力梯度為1.604×10-7，最大水力梯度發生在下游壩腳。綜合多種臨界水力梯度計算公式，結合圖7中墊層料的初始級配，計算得到燕山水庫下游墊層料的臨界水力梯度最大值為1.09(毛昶熙[12]計算公式)，最小值為0.297(劉杰計算公式[13])。其中，劉杰[13]提出了土體發生管涌型或過渡型破壞的判定公式：

(2)

毛昶熙[12]提出的管涌的臨界水力梯度：

(3)

式中，n為孔隙比，df是細粗顆粒分界的粒徑，Pf是對應的顆粒質量百分數。

根據數值計算得到的壩坡實際水力梯度與臨界水力梯度的對比，結果表明下游壩坡受暴雨沖蝕破壞將主要發生在101 m高程以下，因此，將對該坡段進行重點分析。

2.3 現場勘測結果分析

圖8為燕山水庫下游預制塊鋪設情況，壩體竣工時，預制塊鋪設完畢，該類型的預制塊在拼接完成后有一定的拼接縫，受蓄水荷載影響，壩體外輪廓發生一定的變形，將導致預制塊間拼接縫隙進一步增大，形成明顯的降雨入滲通道。107 m高程以上，預制塊表面依舊平整，未出現明顯的塌陷或隆起，如圖8所示，與2.2節中有限元分析結果相近：該坡段受到降雨沖蝕的影響很小。

分析表明，96 m高程以下壩坡由降雨導致的水力梯度大于臨界水力梯度，可能會發生沖蝕破壞。現場勘測結果顯示，水庫下游壩坡96 m高程以下為排水棱體，壩坡并未出現隆起或沉陷，可見該坡段的暴雨通過排水體系及時排除，未造成壩坡沖蝕，因此不再贅述。

107 m高程到96 m高程部分，計算得到最大水力梯度為0.6，根據劉杰公式[13]計算臨界水力梯度為0.297，該部分壩坡也可能出現沖蝕破壞。對該部分壩坡坡面的檢查發現：在樁號4+300―4+650部位，大壩下游坡面出現局部塌陷或隆起區域，多分布高程98～104 m之間，其中揭開預制塊，典型塌陷區域如圖9所示。

圖8 水庫下游壩坡預制塊(107 m高程以上)Fig.8 Downstream dam slope precast block (above 107 m)

圖9 水庫下游壩坡塌陷區域(107 m到96 m高程)Fig.9 Downstream dam slope collapse area (107 m to 96 m)

為了探究塌陷或隆起區域是否由降雨沖蝕引起，對107 m到96 m高程墊層料的顆粒級配進行了測試，取樣深度為25、35、50和60 cm，樁號為4+572。其中，深度為25和35 cm的土樣為墊層料，深度為50和60 cm的土樣為任意料。

以104 m和97.5 m高程25 cm深度墊層料級配曲線為例，如圖10所示，97.5 m高程處的級配相對于104 m高程，細顆粒含量顯著增多。顆粒粒徑小于2 mm為砂粒和細粒，易被暴雨沖刷，因此，可將級配曲線上2 mm對應的百分含量作為研究對象。由圖10可得，104 m高程和97.5 m高程低于2 mm顆粒所占百分比分別為50.6%和36.8%。

圖10 104 m和97.5 m高程25 cm深度墊層料級配曲線Fig.10 Bedding material grading curves at elevation of 104 m and 97.5 m at depth of 25 cm

進一步地，繪制了104 m高程至97.5 m高程之間，25 cm深度的墊層料小于2 mm顆粒含量分布曲線，如圖11所示。隨著高程降低，小于2 mm的顆粒含量逐漸增大。可以初步判定，這一現象是由降雨沖刷導致。若壩坡未受到降雨沖蝕，壩坡沿程級配分布應大致均勻，不會出現如圖10中顯著的規律。反之，細顆粒降雨入滲引起的滲流會導致墊層料中細顆粒流失，上部細粒含量降低，下部細粒含量增多，造成預制塊與墊層料脫空，形成水流通道，加劇墊層料的沖蝕，從而形成沖溝現象。

圖11 不同高程墊層料小于2 mm顆粒含量分布曲線Fig.11 The particle less than 2 mm content distribution curve of different elevation bedding materials

2.4 小結

在汛期強降雨情況下，當降雨入滲量較大，墊層料將起到排水體的作用，且自壩頂向下，墊層料中流量逐漸增大，入滲水通過墊層料后，進入馬道排水溝，由于下游壩面降雨入滲料不斷匯聚到墊層料中，自上而下水量不斷增加，流速也逐漸增高，故極易在排水溝上游附近形成沖蝕現象，滲流水攜帶細顆粒進入排水溝，形成細顆粒堆積現象。

通過對壩坡沖蝕機理分析可知，優化墊層料顆粒級配設計，提高墊層料的臨界水力梯度值，提高墊層料的滲透系數，完善排水設施，減少降雨量入滲，可有效降低壩坡沖蝕發生的風險。

3 結論

1)降雨是導致下游壩坡墊層料沖蝕的主要原因，在強降雨情況下，墊料層發生沖蝕的區域其內部水力梯度大于其最小臨界水力梯度值，是發生沖蝕的主要區域。

2)隨著降雨沖蝕，墊層料的顆粒級配趨于劣化，導致該區域出現明顯的沖溝，護坡預制塊等結構與墊層料之間出現脫空等現象。

3)優化顆粒級配設計，提高墊層料的臨界水力梯度值，提高墊層料的滲透系數，完善排水設施，減少降雨量入滲，可有效降低壩坡沖蝕發生的風險。