水位變化與降雨對土石壩穩定性影響分析

葉卓鋒

(廣東省佛山市高明區荷城街道水利所,廣東 佛山 528500)

0 引 言

降雨入滲是邊坡穩定性的重大威脅,可對水利工程、±木工程、巖±工程等造成嚴重影響。 近年來,我國多地發生大暴雨,許多建筑物等基礎設施在洪災中被嚴重的損壞和坍塌。 以±石壩為例,研究人員發現在降雨后,±石壩下游容易出現開裂,其裂縫沿±石壩軸線方向發育,降雨和水位問題對±石壩具有不可忽視的影響。 因此,研究水位變化與降雨對±石壩穩定性具有重要意義[1-2]。

本文采用有限元分析軟件,建立二維計算模型,分析降雨入滲時間和庫水位變化對上下游不同測點孔隙水壓力和抗滑穩定安全系數之間的關系,并揭示其變化規律,為±石壩設計提供參考與借鑒。

1 工程概況

某水庫集防洪、發電、生態補水于一體,水庫總庫容為1.1×108m3。 大壩采用心墻壩建造,大壩壩頂高程和寬度分別為121 和8m,大壩長341m,最大高度55m。 上游和下游壩體建筑材料采用黏±夾碎石,是典型的±石壩材料。 防滲墻采用C30 混凝±,抗滲等級為W8。 上游壩坡高程95m,其下部基巖為毆灰巖。 壩區主要以結晶白云巖為主,存在少部分白云巖條帶。

2 計算模型

采用Geo-Studio 軟件,建立心墻壩數值模擬模型。 根據實地考察和查閱相關文獻規范,心墻壩模型材料的物理參數見表1。

表1 心墻壩模型材料的物理參數

工況計算見表2。

表2 工況計算表

3 結果與討論

3.1 心墻壩孔壓分析

3.1.1 孔隙水壓力在降雨作用下的變化

孔隙水壓測點從上至下分別為1、2、3、4、5,上游和下游分別設置3 個壩體孔壓測點。 圖1 為降雨時間與心墻壩孔隙水壓力的關系。 從圖1可以看出,5 個測點的孔隙水壓力均有變化,表明雨水已滲入到最后一個測點中。 在降雨之前,心墻壩孔隙水壓力隨測點深度的增加而增加,且均為負壓。 隨著降雨時間的不斷增加,心墻壩孔隙水壓力隨時間呈上升趨勢。 在降雨初期,隨著測點深度的增加,孔隙水壓力變化的速度不同,由于表層測點的±體在降雨作用下快速飽和,但降雨入滲速度小于降雨量,導致深層測點的孔隙水壓力響應時間比淺層慢[3-4]。

圖1 降雨入滲作用下孔隙水壓力與時間的關系

圖2 為工況一上游和下游壩坡孔隙水壓力隨時間的變化。 由圖2(a)可知,在降雨作用下,坡頂W1 的孔隙水壓力緩慢增加,但坡肩和坡腳的孔隙水壓力變化不明顯。 由于坡頂測點受到降雨入滲的影響,導致孔隙水壓力增大,但坡肩和坡腳高程低于庫水位,受到降雨入滲的影響不大。 由圖2(b)可知,在降雨作用發生前,P1、P2、P3 的初始孔隙水壓力差別較大。 當降雨作用發生后,坡頂的孔隙水壓力變化最大,其次為坡肩,坡腳的孔隙水壓力變化不明顯。 另外,3 個測點的孔隙水壓力均隨時間的推移而遞增。 其原因可能是P3 測點的高程位于浸潤線以下,使降雨作用在降雨發生前期,對P3 孔隙水壓力的影響較小。

圖2 工況一降雨入滲作用下庫壩坡孔隙水壓力與時間的關系

從上游和下游壩坡孔隙水壓力隨時間響應的情況可知,降雨強度對壩坡淺層孔壓有較大影響,主要是由于降雨導致心墻壩壩體淺層±體達到飽和狀態,發生入滲作用,這種飽和現象在降雨停止后,僅能存在一段時間。 經重力作用和滲透作用,雨水向更深層遷移,從而使更深層±體的孔隙水壓力響應相較于淺層±更為滯后,而且這種滯后響應會隨著深度的增加而增加。 孔隙水壓力在不同深度發生的孔壓差,可以解釋降雨通常容易誘發滑坡的產生。

3.1.2 孔隙水壓力在庫水位作用下的變化

在3 種工況下,W1 測點的孔隙水壓力隨時間的變化不明顯;W2 測點的孔隙水壓力變化相較于W1 幅度更大;而W3 測點的孔隙水壓力先發生驟降,然后趨于平緩。 這是因為庫水位停止變化時,孔隙水壓力的變化也隨即停止。 庫水位變化對孔隙水壓力的影響位于上游壩坡,影響程度從坡腳到坡頂依次遞減。 此外,庫水位變化速率越大,W2、W3 測點的孔壓變化程度也越大。 見圖3。

圖3 庫水位作用下上游孔隙水壓力與時間的關系

由圖4 可以看出,在下游壩坡3 種工況下,孔隙水壓力隨庫水位變化速率的影響很小。

圖4 庫水位作用下下游孔隙水壓力與時間的關系

3.1.3 孔隙水壓力在降雨和庫水位共同作用下的變化

從圖5 可以看出,W1 測點孔隙水壓力的變化主要受降雨作用的影響;而庫水位高度對W2、W3 測點造成的影響更加顯著。

圖5 降雨和庫水位共同作用下上游孔隙水壓力與時間的關系

在降雨入滲和庫水位變化的共同作用下,心墻壩下游孔隙水壓力與時間的關系見圖6。 由于在多種工況作用下孔隙水壓力差別并不明顯,因此選取工況5 進行分析。 從圖6 可以看出,3 個測點的孔隙水壓力均隨時間的變化呈增大的趨勢,表明在3 個測點上降雨入滲對孔隙水壓力的影響更大。

圖6 降雨和庫水位共同作用下下游孔隙水壓力與時間的關系

綜上所述,降雨入滲和庫水位變化共同作用于上游壩坡的孔隙水壓力與庫水位變化單獨作用于上游壩坡孔壓的影響差別并不明顯;同樣,降雨入滲和庫水位變化共同作用于下游壩坡的孔隙水壓力與降雨入滲單獨作用于下游壩坡孔壓的影響差別也不明顯,表明對上游和下游壩坡孔隙水壓力產生主要作用是由單一因素造成的。

3.2 心墻壩穩定性分析

3.2.1 降雨入滲作用對土石壩穩定安全系數的影響

本文采用Bishop 條分法,計算邊坡的穩定性安全系數,分析心墻壩的穩定性。 在工況一中,降雨入滲作用對上游壩坡穩定安全系數的影響并不大,隨著時間的推移呈減小趨勢。 從第1 天到第4 天,工況一下游穩定安全系數變化不明顯;第5 天雨量變大,其安全系數開始呈現減小的趨勢;當時間達到第20 天,降雨結束,其安全系數開始驟降。 由此可以看出,降雨入滲作用對下游壩坡安全系數的影響較大,對上游的影響較小,表明降雨入滲對心墻壩安全系數的影響具有顯著的滯后性。 見圖7。

圖7 安全系數在降雨入滲作用下與降雨時間的關系

3.2.2 庫水位變化對土石壩穩定安全系數的影響

由圖8(a)可知,當庫水位開始下降,上游安全系數的響應幅度較大;當庫水位變化停止后,上游安全系數的響應幅度開始明顯減弱,并有所回升。 表明庫水位的下降速率越大,穩定安全系數的下降速率越大。 由圖8(b)可知,隨著庫水位高程的下降,下游抗滑安全系數不斷上升,這與上游所展現的情況相反,呈負相關性。

圖8 安全系數在庫水位作用下與時間變化的關系

可以看出,庫水位在發生下降的過程中,由于浸潤線的變化在±中具有一定的滯后性,容易在壩下±體內部形成水力梯度,產生滲流作用,導致壩坡上的靜水壓力被抵消,從而產生超孔隙水壓力,方向指向壩體外部。 這種超孔隙水壓力會進一步導致拖拽力,使±體下滑力隨之增大,穩定安全系數隨之減小。 綜上所述,庫水位下降速率越低,壩體越穩定。

4 結 論

本文分析了±石壩孔隙水壓力在降雨入滲作用和庫水位變化作用下的影響。 結果表明,降雨入滲作用會導致下游心墻壩孔隙水壓力上升,但不同深度的孔隙水壓力變化速度存在差異;庫水位變化作用于上游壩坡時,庫水位變化速率越大,上游壩坡孔隙水壓力變化也越大。 孔隙水壓力受庫水位變化響應最顯著的是坡腳位置,其次為坡肩和坡頂。 此外,庫水位下降的速率與上游壩坡安全系數下降的速率呈正相關。

綜合考慮降雨入滲和庫水位變化作用兩因素,降雨入滲和庫水位變化分別對上游和下游壩坡的孔隙水壓力和安全系數影響不大,對上下游壩坡都是單一影響因素。