粗顆粒含量對土石壩蓄水期滲流場的影響研究

余 博

(廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 廣州 510700)

隨著我國水利工程建設(shè)的快速發(fā)展，土石壩的數(shù)量和規(guī)模都發(fā)生了快速的增長，但某些土石壩由于設(shè)計(jì)及施工原因?qū)е聺问录r(shí)有發(fā)生[1]，如Teton寬堆石壩潰決、Hyttejuvet土石壩異常滲漏等工程災(zāi)害。

針對土石壩的安全問題，各國學(xué)者展開了大量的研究。王年香等[2]基于土工離心模型試驗(yàn)，研究了土石壩初次蓄水速率對土石壩穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明，蓄水位上升速率越快，心墻裂縫的內(nèi)外水壓力差增長越快。何帥[3]基于數(shù)值有限元，研究了混凝土面板壩滲流規(guī)律，結(jié)果表明，合理的防滲措施是保證土石壩安全運(yùn)營的重要手段。黃錦林等[4]基于ABAQUS數(shù)值有限元，研究了土石壩防滲墻、黏土防滲體和水平排水帶分別移除后對壩坡穩(wěn)定的影響，結(jié)果表明，排水措施是影響土石壩穩(wěn)定性最重要的因素。邱媛媛等[5]基于非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則推導(dǎo)了土石壩穩(wěn)定性計(jì)算公式，建立了三維壩體可靠度評價(jià)方法。高煥煥等[6]基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了黏土心墻土石壩的滲流場特性。史麗云等[7]采用Fredlund非飽和土抗剪強(qiáng)度理論，研究了庫水位升降對土石壩的影響。鄭保敬等[8]基于MLPG無網(wǎng)格法研究了土石壩非穩(wěn)態(tài)飽和滲流情況下，壩體的滲透特性，并與既有模型進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，該方法對于處理非穩(wěn)態(tài)飽和滲流具有很高的精度，可為研究土石壩滲流問題提供新思路。

本文基于ABAQUS數(shù)值分析軟件，建立了土石壩模型，分析了土石壩在初次蓄水工況下壩體心墻粗顆粒含量對土石壩滲流場及穩(wěn)定性的影響。本文研究可為相關(guān)工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 計(jì)算原理

本文采用的質(zhì)量守恒連續(xù)方程表達(dá)式為[9]：

(1)

此外，模型需要考慮孔隙滲流，本文采用Forchheimer定律，滲透系數(shù)表示式為：

(2)

式中，k—達(dá)西飽和滲透系數(shù)；β—滲流影響系數(shù)，β=0時(shí)轉(zhuǎn)化達(dá)西定律；ks—與飽和度有關(guān)的無量綱系數(shù)。

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 模型概況

本文研究的土石壩模型如圖1所示。壩頂高程為295m，頂寬和總長度分別為16m和1137m。土石壩心墻為礫石土，坡比為1∶0.2，上游和下游反濾層厚度分別為8m和12m，坡比為1∶0.2。壩坡上游坡比和下游坡比分別為1∶2.0和1∶1.8。最終計(jì)算的有限元模型如圖1所示。模型單元格合計(jì)35665，順河流方向設(shè)為x軸，高度方向?yàn)閦軸，為增加計(jì)算效率，寬度方向取40m。

圖1 土石壩結(jié)構(gòu)圖

2.2 計(jì)算工況

假定上游和下游的初始水位分別為60m和30m，其中上游水位以不同的速率升高至285m正常水位，下游水位保持不變。本文共設(shè)計(jì)了6種工況來研究蓄水速率對壩體穩(wěn)定性影響，速率分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0m/d及速率交替。具體計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

2.3 模擬參數(shù)

既有研究表明，當(dāng)粗粒含量>50%時(shí)，土的滲透系數(shù)超過1×10-5cm/s，本文考慮最危險(xiǎn)工況，滲透系數(shù)取最大值。此外，為了考慮粗顆粒的隨機(jī)性，本文對心墻單元進(jìn)行隨機(jī)抽樣，使得單元體積占比(超標(biāo)率)滿足設(shè)定值。進(jìn)一步，通過超標(biāo)單元和未超標(biāo)不同的滲透系數(shù)模擬粗粒含量對土石壩滲流場的影響程度。共設(shè)計(jì)了4種心墻，如圖2所示。其超標(biāo)率P分別為2.5%、5.0%、7.5%和10.0%。具體參數(shù)見表2。

圖2 粗顆粒含量超50%單元分布

表2 壩體材料計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 粗粒含量無超標(biāo)

圖3匯總得到了不同蓄水速度工況下，心墻內(nèi)孔壓等值線分布情況，結(jié)果表明，當(dāng)心墻內(nèi)的粗顆粒含量滿足規(guī)范要求時(shí)，上游土石壩浸潤面位置變化基本與蓄水高度一致，下游土石壩浸潤面變化幅度很小。此外，心墻下部基本處于飽和狀態(tài)，中上部僅有小部分處于飽和狀態(tài)，心墻受到較大的水頭壓力，孔壓等值線均勻光滑。當(dāng)心墻粗粒含量未超標(biāo)時(shí)，土石壩在初次蓄水情況下，上游浸潤面水位基本和庫水位一致，下游浸潤面變化范圍較小。心墻內(nèi)的飽和區(qū)域隨著滲水速度的增大而減小，且心墻上部的浸潤面隨之變陡。

圖4匯總得到了不同蓄水速率工況下最大滲透坡降的變化規(guī)律，結(jié)果表明，相同蓄水速度下，心墻內(nèi)最大滲透坡降隨蓄水高度的增大先增大隨后趨于平緩。滲透坡降快速增大的區(qū)段主要發(fā)生于蓄水位150m以下。此外，最大滲透坡降的位置均出現(xiàn)在心墻上游靠近蓄水位高程附近。隨著蓄水速度增大，最大坡降明顯增大，如當(dāng)蓄水速度由0.5m/d增大至5.0m/d時(shí)，最大坡降值有3.7增大至13.0。此外，當(dāng)蓄水速度由0.5m/d增大至5m/d情況下，滲透坡降由3迅速增大至13。這也表明，當(dāng)蓄水速度過大時(shí)，心墻會承受較大的滲透力，對于心墻的安全運(yùn)營極為不利，尤其容易發(fā)生滲透破壞。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)適當(dāng)控制蓄水速率，以保證土石壩安全。

圖3 心墻內(nèi)孔壓分布云圖

圖4 粗顆粒含量不超標(biāo)時(shí)最大滲透坡降隨蓄水速度變化規(guī)律

3.2 粗粒含量超標(biāo)

圖5匯總得到了蓄水速度為0.5m/d時(shí)不同粗顆粒含量工況下心墻的孔壓分布，結(jié)果表明，當(dāng)心墻粗顆粒含量超過50%以上時(shí)，孔壓等值線分布規(guī)律與圖3基本相同，但明顯發(fā)現(xiàn)，孔壓等值線不再光滑，且等值線粗糙程度隨超標(biāo)率的增大而增大。此外，心墻飽和區(qū)范圍也與圖4基本相同。

圖4為蓄水過程中，心墻滲透坡降變化規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)蓄水速度相同時(shí)，粗顆粒超標(biāo)情況下，心墻滲透坡降大于不超標(biāo)工況。此外，超標(biāo)率和蓄水速度對坡降增大影響不明顯。蓄水過程中心墻最大滲透坡降隨蓄水速度增大而增大。圖6(a)表明，當(dāng)蓄水速度為0.5m/d、時(shí)，不同粗顆粒含量滲透坡降變化基本一致，均呈先先增大后穩(wěn)定的趨勢，不同含量工況的滲透坡降介于3～5之間，當(dāng)蓄水位達(dá)到150m時(shí)，最大坡降波動明顯增大，主要是由于受到超標(biāo)單元格影響所導(dǎo)致的。圖6(b)和圖6(c)的變化規(guī)律與圖6(a)基本相同，不同含量粗顆粒工況的滲透坡降分別介于7～10、12～16之間。因此，實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)心墻粗顆粒含量超標(biāo)時(shí)，需嚴(yán)格控制蓄水速度，以免發(fā)生過大的滲透力，影響土石壩的安全運(yùn)營[10- 11]。

圖5 粗顆粒粒含量超標(biāo)時(shí)心墻孔壓分布云圖

圖6 粗顆粒粒含量超標(biāo)時(shí)最大滲透坡降與蓄水高度關(guān)系

4 結(jié)語

本文基于ABAQUS開展了粗顆粒含量對土石壩蓄水期滲流場的影響研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)心墻內(nèi)的滲流坡降隨蓄水速度的增大而增大，最大增幅超過200%，且坡降增幅與粗顆粒含量是否超標(biāo)無直接影響。實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)嚴(yán)格控制蓄水速度，以免發(fā)生滲透破壞，影響土石壩安全運(yùn)營。

(2)蓄水過程中，當(dāng)心墻粗顆粒含量超標(biāo)時(shí)，最大滲透坡降比不超標(biāo)要大，但增大幅度與超標(biāo)情況和蓄水速率關(guān)系不顯著，如控制超標(biāo)率10%以內(nèi)，滲透坡降增大幅度均在50%以內(nèi)。

(3)在水庫蓄水過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制蓄水速度，以免發(fā)生滲透破壞，影響水庫的運(yùn)行安全。