復(fù)雜層狀土層地質(zhì)對堤岸滲流特性的影響研究

王海龍，杜寧宇，王一朵

(1.江蘇省地質(zhì)局，江蘇 南京 210000；2.河海大學(xué)河海里爾學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著大壩構(gòu)筑物的發(fā)展，大壩滲流及穩(wěn)定性研究得到越來越多的重視[1]。水庫建成蓄水后，在上、下游水位作用下，壩體和壩基均會出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，進(jìn)而影響壩坡穩(wěn)定性[2]。韓文娟[3]通過建立均質(zhì)壩體模型，研究了壩體土料不同滲透系數(shù)在水位下降條件下的壩體浸潤線和上游逸出點(diǎn)滲透坡降的變化規(guī)律，岳慶河等[4]深入分析了在水位下降時壩體材料滲透系數(shù)大小以及滲透系數(shù)的各向異性對大壩滲流及穩(wěn)定的影響，李子陽[5]基于飽和-非飽和滲流理論，考慮了滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的非線性關(guān)系，研究大壩非穩(wěn)定滲流場和滲透穩(wěn)定性的變化規(guī)律，壩體材料的滲透系數(shù)大小及滲透系數(shù)的各向異性會不同程度地影響大壩的滲流及穩(wěn)定性，為此鐘學(xué)梅[6]對兩個影響因素進(jìn)行敏感性分析，在此基礎(chǔ)上，王寧[7]研究了壩體土體參數(shù)對大壩滲流及穩(wěn)定的影響，包括土體滲透系數(shù)大小以及強(qiáng)度參數(shù)。

在實(shí)際工程中，壩基的地質(zhì)條件并不是單一均質(zhì)的，以上眾多學(xué)者[8-10]在研究大壩滲流分析模型中，僅將壩基作為同一種材料來考慮，忽略了壩基的復(fù)雜地質(zhì)情況。以合肥市大房郢水庫為例，該工程沿壩軸線方向的長度較長，沿壩軸線方向的土層分布也發(fā)生變化，不同斷面位置的地質(zhì)條件存在差異，如分層土層種類、土層厚度以及土層起伏等。由于各土層滲透性的差異，不同土層分布將對大壩滲流產(chǎn)生不同的影響。因此，建立復(fù)雜的壩基地質(zhì)條件模型更加符合實(shí)際情況。本文以合肥市大房郢水庫大壩為依托，基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，通過數(shù)值模擬研究不同庫水位下復(fù)雜地質(zhì)條件對大壩滲流及穩(wěn)定性的影響。

本文采用飽和-非飽和滲透模擬分析，根據(jù)飽和-非飽和滲流理論，開展二維有限元數(shù)值模擬，通過二維數(shù)值模擬，得出復(fù)雜地質(zhì)對大壩滲流影響的一般規(guī)律。

1 模擬幾何模型

圖1展示了合肥市大房郢水庫工程堤岸的計算模型。

圖1中壩高為13 m，上游壩坡比為1∶3，下游壩坡比為1∶2.5，上下游壩坡腳外延伸的長度為20 m，將下游壩腳外延伸的長度分別取20 m,30 m，以研究模型尺寸對滲流結(jié)果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)下游壩腳外延伸的長度為20 m,30 m時的滲流場變化一致，因此在不影響大壩滲流場的情況下，取最小下游壩腳外延伸長度為20 m。

2 土體參數(shù)

大壩為碾壓式土壩，壩體材料的各向異性比值為4，即壩身填土水平向滲透系數(shù)與豎直向滲透系數(shù)比值為4，壩基老填土的水平向滲透系數(shù)與豎直向滲透系數(shù)比值為1.1，壩基其余土層水平向滲透系數(shù)與豎直向滲透系數(shù)相同。大房郢水庫大壩各土層的土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 大房郢水庫土層分區(qū)及主要參數(shù)

由主壩縱剖圖及各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)可知，大房郢水庫大壩地面線以上即壩體部分土層較為一致，均為滲透系數(shù)較小的填土層，地面線以下土層均含有老填土層，其滲透系數(shù)大于填土層的滲透系數(shù)，而老填土層以下的壩基土層較為復(fù)雜，壩基地質(zhì)條件復(fù)雜性體現(xiàn)在壩基含有②1～③2土層不等，且各土層的位置和厚度不同，它們的滲透系數(shù)差異較大，而壩基的最底層即相對不透水層均為④1層全風(fēng)化砂巖，該土層的滲透系數(shù)很小。綜上可將此復(fù)雜土層簡化為三個斷面進(jìn)行計算。

3 邊界條件

二維邊界條件如圖1(a)所示，圖中ab為水頭邊界條件，de為下游坡面，設(shè)置為自由滲出面，壩基底部hg及壩基兩側(cè)設(shè)置為不透水邊界條件，此邊界的流量為零，下游邊界ef為自由滲出面，設(shè)置為流量邊界條件。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 壩體浸潤線變化

壩基不同工況下壩體浸潤線如圖2所示，圖2中虛線表示大壩中心線即測線的所在位置。模擬編號1壩基為均質(zhì)粉質(zhì)黏土21 m，模擬編號2壩基為粉質(zhì)黏土5 m砂壤土10 m的層狀土層，模擬編號3壩基為粉質(zhì)黏土10 m砂壤土5 m的層狀土層。壩基為均質(zhì)土層與層狀土層的壩體浸潤線有一定差異，壩基為均質(zhì)粉質(zhì)黏土的壩體浸潤線最高，在層狀土層壩基中，壩基較上層粉質(zhì)黏土厚10 m的壩體浸潤線高于粉質(zhì)黏土厚5 m的壩體浸潤線。由圖3測線處孔隙水壓力變化可知，測線處均質(zhì)粉質(zhì)黏土壩基的浸潤線高程較高，壩基為粉質(zhì)黏土厚10 m的浸潤線高程次之，壩基為粉質(zhì)黏土厚5 m的浸潤線高程最低。具體表現(xiàn)為：測線處均質(zhì)粉質(zhì)黏土的壩體浸潤線高程比層狀土層壩基中粉質(zhì)黏土厚10 m的壩體浸潤線高0.14 m；層狀土層壩基中，粉質(zhì)黏土厚10 m的壩體浸潤線比粉質(zhì)黏土厚5 m的壩體浸潤線高0.16 m。表明與均質(zhì)土層壩基相比，層狀土層壩基的浸潤線高程低0.3 m左右，在層狀土層壩基中，壩基較上層的下臥阻水層厚度增大、下臥導(dǎo)水層厚度減小，壩體浸潤線升高。當(dāng)下臥阻水層厚度增大5 m、下臥導(dǎo)水層厚度減小5 m時，壩體浸潤線升高0.16 m。

4.2 水力梯度變化

圖3分別展示了均質(zhì)粉質(zhì)黏土壩基、粉質(zhì)黏土厚5 m的層狀土層壩基以及粉質(zhì)黏土厚10 m的層狀土層壩基的水力梯度的分布規(guī)律，其水力梯度最大值均位于坡腳處，小于臨界水力梯度，故都不會發(fā)生滲透破壞。

壩基不同工況下測線處水力梯度隨高程的變化如圖4所示，圖4中虛線為高程21 m位置處，即壩體和壩基的分界線。均質(zhì)土層、層狀土層及其不同厚度的壩基，其水力梯度的分布有一定的差異。壩基不同工況下測線處的水力梯度均未超過各土層的臨界水力梯度，均質(zhì)粉質(zhì)黏土壩基測線處最大水力梯度為0.083，層狀土層壩基中，粉質(zhì)黏土厚5 m的壩基，其測線處最大水力梯度為0.067 1，粉質(zhì)黏土厚10 m的壩基測線處最大水力梯度為0.071 3。表明均質(zhì)粉質(zhì)黏土壩基測線處最大水力梯度最大，壩基較上層下臥阻水層厚度越大，水力梯度越大，當(dāng)下臥阻水層厚度增大5 m時，測線處最大水力梯度增大6.3%。對于層狀土層壩基，在壩體土層范圍內(nèi)，水力梯度隨高程的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，具體表現(xiàn)為：壩基為粉質(zhì)黏土厚10 m的水力梯度由0.065增大至0.071 3后逐漸降低至0.057 3；壩基為粉質(zhì)黏土厚5 m的水力梯度由0.061增大至0.067 1后逐漸降低至0.057 5。在壩基土層范圍內(nèi)，層狀土層壩基的水力梯度的變化趨勢與均質(zhì)土層壩基有所不同，其水力梯度的變化趨勢呈現(xiàn)兩段式，在壩基較下層即全風(fēng)化砂巖和砂壤土層內(nèi)水力梯度不變，而在壩基較上層下臥阻水層即粉質(zhì)黏土層內(nèi)，水力梯度隨著高程的增大而增大，下臥阻水層厚度為5 m的壩基，其水力梯度增大了0.042 3，下臥阻水層厚度為10 m的壩基，其水力梯度增大了0.045 7，表明下臥阻水層厚度越大，水力梯度增大幅度越大。

4.3 流速變化

壩基不同工況下測線處流速隨高程的變化如圖5所示，圖5中虛線為飽和區(qū)與非飽和區(qū)的分界線。對于層狀土層壩基，在壩基較上層粉質(zhì)黏土層內(nèi)，土體滲透系數(shù)不變，由于水力梯度隨高程的增大而增大，因而流速也隨之增大。而在壩基較下層即砂壤土以及全風(fēng)化砂巖土層內(nèi)，水力梯度不變，滲透系數(shù)不變，水在各土層內(nèi)的流速保持不變，但由于受到土層分層滲透系數(shù)發(fā)生變化的影響，在不同土層交界處流速會發(fā)生突變。具體表現(xiàn)為：對于粉質(zhì)黏土厚10 m的層狀土層壩基，在0 m～6 m,6 m～11 m飽和區(qū)域內(nèi)，流速保持不變，在6 m處由于土層滲透系數(shù)變大，流速發(fā)生突變，在11 m～21 m粉質(zhì)黏土層內(nèi)，流速隨水力梯度的增大而呈折線型上升，在21 m處由于土層滲透系數(shù)變大，流速發(fā)生突變。對于粉質(zhì)黏土厚5 m的層狀土層壩基，在0 m～6 m,6 m～16 m飽和區(qū)域內(nèi)，流速保持不變，在16 m處由于土層滲透系數(shù)變大，流速發(fā)生突變，在16 m～21 m粉質(zhì)黏土層內(nèi)，流速隨水力梯度的增大而呈折線型上升，在21 m處由于土層滲透系數(shù)變大，流速發(fā)生突變。對于不同厚度的層狀土層壩基，壩基較上層粉質(zhì)黏土厚10 m的流速略大于粉質(zhì)黏土厚5 m的流速，表明壩基較上層下臥阻水層的厚度越厚，其測線處流速也越大，當(dāng)下臥阻水層的厚度增大為10 m時，測線處最大流速為2.35e-8 m/s。

5 結(jié)論

本文根據(jù)飽和-非飽和滲流理論，開展二維有限元數(shù)值模擬，研究庫水位不變條件下復(fù)雜地質(zhì)二維大壩的壩體浸潤線、水力梯度以及流速矢量的變化，同時將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場測壓管水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析不同地質(zhì)條件對壩坡穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下：1)與均質(zhì)土層壩基相比，層狀土層壩基測線處的孔隙水壓力值小3 kPa～4 kPa，浸潤線高程降低0.3 m，上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別提高了9.3%,10.9%；對于不同厚度的層狀土層壩基，壩基較上層下臥阻水層厚度越厚，壩體浸潤線越高，壩坡穩(wěn)定性越差。當(dāng)下臥阻水層厚度增大5 m、下臥導(dǎo)水層厚度減小5 m時，壩體浸潤線高程升高0.16 m，上下游壩坡安全系數(shù)分別降低了6%,8.3%。2)在壩基土層范圍內(nèi)水力梯度有明顯差異，具體層狀壩基水力梯度的變化趨勢呈現(xiàn)兩段式，在壩基較下層水力梯度不變，在壩基較上層下臥阻水層內(nèi)水力梯度隨著高程的增大而增大，且下臥阻水層厚度越大，水力梯度增大幅度越大，當(dāng)下臥阻水層厚度增大5 m時，測線處最大水力梯度增大6.3%。3)對于層狀土層壩基，在壩基較上層粉質(zhì)黏土層內(nèi)，土體滲透系數(shù)不變，由于水力梯度隨高程的增大而增大，因而流速也隨之增大。在飽和區(qū)域內(nèi)，流速的變化趨勢主要受水力梯度及不同土層滲透系數(shù)的影響，當(dāng)土層的滲透系數(shù)發(fā)生變化時，流速在土層交界處發(fā)生突變。對于不同厚度的層狀土層壩基，壩基較上層下臥阻水層的厚度增大，其測線處流速也變大，當(dāng)下臥阻水層的厚度增大為10 m時，測線處最大流速為2.35e-8 m/s。