洪水條件下堤壩孔隙壓力變化的數值模擬

修冬紅

(河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，石家莊 050000)

1 概 述

堤壩是防洪系統的基本組成部分[1]。截至2018年，我國全國已建成5級及以上江河堤壩31.2×104km，累計達標堤壩21.8×104km，達標率為69.8%。其中，1級、2級達標堤壩長度為3.4×104km，達標率為80.5%。堤壩保護人口6.3億人，保護耕地4.1×104hm2。

堤壩變形是由于水的液壓、水通過堤壩及其底土的過濾作用以及堤壩材料的水化和干燥引起的[2-3]，導致抗剪強度降低，某些部位產生不均勻變形[4-5]、裂縫、下滑等，堤壩變形分為滑坡、崩岸等幾種形式。在洪水期間，在水位上升的影響下，這一過程可能還會加劇[6]。在水壓變化的條件下，變形過程的發展往往會導致堤壩的破壞。

本文針對水位高達4 m時，水壓增加和減少的情況下堤壩的數值模擬結果；并分析洪水條件下，堤壩中孔隙壓力的變化規律。同時，將數值計算的結果與堤壩監測IT系統[7-8]下建造的試驗性蓄水設施內的現場測量結果進行了比較。

2 研究區域的特點

研究區域由208 m×58 m×4.5 m(長×寬×高)的蓄水設施形成兩段相互連接的堤壩，見圖1，該結構體積約為28.5 m3。

圖1 試驗蓄水設施位置及平面圖

堤岸坡度可變，水側為1∶2和1∶2.5，陸側為1∶2。堤壩東側為粉質黏土，西側為粉砂，過濾系數分別為1.83×10-5和5.24×10-5m/s。底土由粉質黏土和黏質砂、砂和礫石組成，與底土接觸的堤壩用不透水的膨潤土隔離。地下水條件通過鉆孔、動態和靜態探測確定。

在現場測量中，對水位升降對堤壩行為的影響進行模擬，并通過孔隙壓力傳感器測量水壓的變化。

3 方法論

3.1 計算方案

計算過程的示意圖見圖2。在計算中，假設水位在96 h內持續上升至4 m，并在120 h內下降。借助FLAC 2D軟件[9-10]，在平面應變狀態下進行數值模擬。選取I - I′截面和位于堤壩下部的4個監測點，分析水位的增減對孔隙壓力變化的影響(圖1)。A點和B點位于蓄水設施東側的堤壩上，C點和D點位于蓄水設施西側的堤壩上。

3.2 物理模型

物理模型沿橫斷面I - I′制備，橫斷面貫穿試驗蓄水設施中部，見圖3。假設垂直框架高11 m，水平框架長90 m。表1為6個巖土層的材料特性，第I層對應于試驗蓄水設施東側或西側的堤壩材料，其余5層位于試驗蓄水設施的底土中。

圖2 數值模擬示意圖

圖3 沿橫截面I - I′的底土蓄水物理模型

表1 堤壩和底土層材料常數

3.3 計算模型

在計算中，采用莫爾-庫侖強度準則，建立彈塑性力學模型。在堤壩水側施加靜水壓力，堤壩的陸側允許水流。采用0.25 m的規則網格對模型進行離散，其中堤壩為0.5 m，第I-第III層為0.5 m，第IV和第V層為1 m。分析水位上升的影響：①48 h內上升至2 m；②96 h內上升至4 m；③120 h內恢復至初始狀態。

4 結果與分析

孔隙壓力、剪應力和水平位移等值線變化形式的數值模擬結果見圖4-圖6。水位上升至2 m，導致堤壩底部的孔隙壓力增加至20 kPa，見圖4(a)。在假定的洪水持續時間內，試驗蓄水設施陸側的剪應力達到-15～20 kPa，見圖4(b)。堤壩開始變形，水平位移達到7 mm，見圖4(c)。在這種情況下，堤壩中的最大水流速度為0.33 m/d。

在這些條件下，水位上升至4 m，孔隙壓力增加至40 kPa，堤壩底部的變形過程增加，見圖5(a)。在假定的洪水持續時間內，試驗蓄水設施陸側的剪應力達到-30～40 kPa，見圖5(b)。

注：黑色箭頭表示最大位移區(7 mm)。圖4 水位上升至2 m高度時堤壩內的孔隙壓力場、剪應力和水平位移

注：黑色箭頭表示最大位移區(14 mm)。圖5 水位上升至4 m高度時堤壩內的孔隙壓力場、剪應力和水平位移

在堤壩中，孔隙壓力值顯著降低至幾個kPa，這可能是由于水流速度增加至3.5 m/d。在堤壩的陸側，水平位移達到14 mm見圖5(c)。在堤壩的水側部分，觀察到剪切應力增大，達到40 kPa，見圖5(b)。

由于水位降至1 m，孔隙壓力達到20 kPa，堤壩底部的變形過程減少，見圖6(a)。在假定的洪水持續時間內，試驗蓄水設施陸側的剪應力為-15～15 kPa，見圖6(b)。在這些條件下，達到的最大位移為3 mm，見圖6(c)。堤壩內的水流速度降至約0.13 m/d，見圖6(b)。

注：黑色箭頭表示最大位移區(3 mm)。圖6 水位下降至1 m高度時堤壩內的孔隙壓力場、剪應力和水平位移

一般來說，數值模型中的孔隙壓力大致隨水位變化而增大或減小，見圖7。通過比較數值模型和現場試驗設施中A、B、C和D 4個監測點的孔隙壓力變化，可以觀察到這些變化的特征是相似的，計算得到的孔隙壓力最大值與實測值基本一致。與數值模型中的堤壩響應相比，試驗堤壩僅在后期響應才會出現差異(差異僅出現在試驗堤壩的后期響應與數值模型堤壩的響應之間)(圖7)。據推測，這些差異與水流通過試驗堤壩時的過濾侵蝕效應有關。在水位下降的情況下，各監測點的計算孔隙壓力值與實測孔隙壓力值相似。

在現場測量中，隨著水位由2 m上升至4 m，堤壩6個巖土層上的孔隙壓力均顯著提高。當水位下降至1 m時，孔隙壓力顯著降低。需要強調的是，水位升降時間短，限制了堤壩變形的發展。在現場試驗條件下，粉砂質非對稱大堤更易變形，孔隙壓力值較高，約為5～7 kPa，見圖(8)。

圖7 在數值模型和現場試驗中4個監測點(A-D)在水位升高4 m時的孔隙壓力變化圖

圖8 I-VI剖面孔隙壓力變化在水位上升至2、4 m和下降至1 m的現場測量

5 結 論

通過水壓對堤壩影響的數值模擬結果，結論如下：

1) 在水位升高的情況下，數值模型中孔隙壓力隨時間的變化及其最大值與現場試驗堤壩相似。兩個堤壩的行為差異僅出現在試驗堤壩的后期響應與數值模型堤壩的響應之間。據推測，這些差異與水流通過實驗堤壩時的過濾侵蝕效應有關。

2) 在水位下降的情況下，各監測點的計算和實測孔隙壓力隨時間的變化相似。

3) 在數值模型中，當水位上升至4 m高度時，最大位移發生在堤壩陸側的底部。在試驗堤壩中，觀測到該邊坡表面的出水情況，計算的剪切應力為30 ～40 kPa，水平位移增加至14 mm。

4) 研究結果表明，水位升高引起的水壓對孔隙壓力變化有顯著影響，并可能導致堤壩破壞。