基于有限元方法的水利工程壩體穩定性監測研究

雷海林,張萬棟,張漢康

(1.溫州市水利電力勘測設計院有限公司,浙江 溫州 325000;2.中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300000)

0 引 言

在水利工程中,土石壩因其對復雜地形和地質條件的適應性以及較好的經濟效益而得到廣泛應用,也是目前壩工建設中被普遍采納的大壩類型[1]。隨著建造工藝的不斷改進,心墻土石壩的建造方法日趨成熟,國內外已修建了大量的心墻土石壩[2]。由于修建時間較早以及施工質量不合格、施工規程不健全、未按規定進行維修等原因,大部分土石壩存在壩坡失穩、滲漏量大等不同程度的安全問題。因此,應對大壩建設后的安全隱患進行及時監測,并采取相應的措施加以治理,以保證大壩的安全運行。

針對大壩的穩定性,應從邊坡穩定、滲透穩定等方面進行全面的分析和評價。特別是大壩防滲穩定問題,對判定大壩是否安全,是否出現大量滲漏,以及滲漏物中是否含有土料等具有重要意義。大壩邊坡穩定性破壞的基本特點是:不論其內部變形機制為廣義剪切或塑性,均會導致邊坡發生位移,而位移是壩坡內在作用的外部體現。

一般情況下,是在大壩的下游設置一套檢漏設備來對其進行監測。近年來,隨著計算機技術的發展,已經建立了基于彈塑性理論和有限元分析的多學科分析方法,并研制出大型計算程序,如Abaqus、 Ansys等[3-4]。目前的研究對心墻土石壩的應力變形等分析已較為完善,但仍缺乏對黏土心墻的滲漏安全、穩定性等有效監測[5-6]。為此,本文以林溪水庫擋水壩作為研究對象,采用有限元方法,對其力學性能等進行模擬監測。同時,采用強度折減法,分析壩體的穩定性。研究旨在通過對水利工程壩體的力學性能、穩定性等的監測過程,獲得大壩工程安全性問題的科學有效解決方法,為黏土心墻土石壩的安全施工建設及運行管理提供理論依據。

1 基于有限元方法的水利工程壩體穩定性監測方法

1.1 工程概況

林溪水庫位于瑞安市林川鎮水干岸村,壩址距林溪河口6km。水庫集雨面積52.5km2,河源長度8.78km,河床坡降3.15%,水庫總庫容1 945×104m3。樞紐工程包括主壩、副壩、溢洪道、水電站等,其中主壩為黏土心墻壩,外部為砂礫壩殼,最大壩高41.50m,壩頂高程85.60～85.95m,壩頂寬3.0m,長243m,壩底寬216.50m。上游壩坡自上而下坡比分別為1:2.50、1:3.24、1:3.25,在73.63m處設有寬2.5m的馬道。下游壩坡自上而下坡比分別為1:2.14、1:2.30、1:2.51,在73.99、59.14、47.46m處分別設有寬1.5、4.0、6.2m的馬道,在53.35m高程處設有堆石排水棱體。

大壩副壩為黏土心墻土石壩,外部為砂礫壩殼,最大壩高34.42m,壩頂高程85.45～85.64m,壩頂寬3.2m,長度75m,壩底寬45m。上游壩坡自上而下坡比分別為1:2.30、1:2.54,在73.93m處設有寬1.5m的馬道。下游壩坡自上而下坡比分別為1:1.90、1:1.65,在74.11m處設有寬2.3m的馬道。

輸水隧洞位于副壩左壩肩下,洞長165m,洞身直徑1.9m,鋼筋砼襯砌,進口底高程58.28m,出口底高程32.41m。溢洪道位于副壩左岸,設計時溢洪道為實用堰,堰頂高程78.28m,堰頂凈寬40m。現狀溢洪道形式為寬頂堰,被小山頭隔開,分為兩段:左段堰寬21.95m,堰頂高程71.29m;右段堰寬16m,堰頂高程71.36m。電站包括3臺機組,2臺630kW、1臺400kW,總裝機1 660kW。

除險加固一期工程實施后,水庫正常水位71.29m,正常庫容689×104m3,設計洪水位(P=1%)77.46m,校核洪水位(P=0. 05%)79.27m,水庫總庫容1 432×104m3。最終規模為:水庫正常水位78.28m,正常庫容1 325×104m3,汛限水位76.28m,防洪高水位81.11m,設計洪水位(P=1%)82.77m,校核洪水位(P=0. 05%)84.96m,水庫總庫容2 128×104m3。

林溪水庫主、副壩表面變形觀測(垂直、水平位移)每季度一次,觀測年度共4次,大壩自動化安全監測系統檢查維護每年度兩次。

1.2 水利工程壩體安全監測設計

林溪水庫大壩已設立如下安全監測項目:壩體表面變形監測(垂直、水平位移)、滲流監測、應力應變監測等[7]。變形觀測主要為主壩、副壩的豎向位移及水平位移觀測。大壩表面變形監測包括水平位移監測和垂直位移監測,水平位移采用視準線法觀測,豎向位移采用水準測量觀測。

主壩共設4排測線,分別是上游壩坡正常蓄水位以上、壩頂上游側、下游壩坡一級馬道、下游壩坡二級馬道。下游壩坡二級馬道測線設3個測點,其余每排測線設5個測點,分別布置在壩軸線樁號0+028.50、0+078.50、0+108.50、0+138.50和0+188.50,共計18個測點。在每排測線的延長線上兩岸設工作基點和校核基點各1個,共計8個工作基點和8個校核基點。副壩共設4排測線,分別是上游壩坡正常蓄水位以上、壩頂上游側、下游壩坡馬道、下游壩坡。每排測線設2個測點,分別布置在壩軸線樁號0+028.00和0+054.50,共計8個測點。在每排測線的延長線上兩岸設工作基點和校核基點各1個,共計8個工作基點和8個校核基點。工作基點和校核基點建在弱風化基巖上,每條測線基點與測點通視。另外,在主副壩下游1～2km范圍內適當位置各布設2個水準基點,用以監測大壩表部的沉降和位移。

主壩防滲墻應變監測斷面分別為主壩0+052.00m、主壩0+108.00m、主壩0+164.00m,共布設52支單向應變計。為了觀測墻體混凝土因自身溫濕度條件變化引起的自身體積變形,在應變計附近布置無應力計,共計11支。副壩防滲墻應變監測斷面分別為副壩0+024.00m、副壩0+040.00m、副壩0+056.00m,共布設34支單向應變計、6支無應力計。主壩選取3個觀測斷面,用以觀測主壩壩體與壩基滲流情況;副壩選取3個觀測斷面,以觀測副壩壩體與壩基滲流情況,分別布置滲壓計3、6和3支,共12支滲壓計。在主壩壩腳設置1套量水堰,并安裝堰上水位計,進行主壩壩后滲漏量觀測。觀測過程中,遵循觀測儀器、觀測路線、觀測方法、觀測環境、觀測人員五固定原則。

土石壩的非穩態滲流計算可用于三維非均質且力學形狀隨方向變化的土體,并且該計算也符合Darcy滲流定律[8]。研究采用滲流計算原理的基本微分方程,對大壩的穩態與非穩態滲流進行求解。滲透計算分為3個不同的工況:工況1是在正常運行狀態下進行,大壩上游水位對應高程71.29 m,下游不加水頭;工況2為大壩上游施加死水位水頭,高程59.28 m,下游不加水頭;工況1與工況2均分析穩態滲流情況。工況3為上游水頭由校核洪水位水頭,高程78.98～83.58m時,進行非穩態滲流的計算分析。

堆石料的應力應變特性可用鄧肯張E-B模型進行描述[9]。模型有關參數包括切線彈性模量Et、切線模量系數K、切線模量指數n、大氣壓力Pa等,此類參數均可通過三軸試驗得到,因此選擇合適的接觸關系和接觸單元是進行模擬接觸面模型的基礎。研究采用Goodman單元作為相鄰接觸面的介質,兩種不同類型的無厚度接觸面單元見圖1。

圖1 無厚度六面體與五面體接觸單元

壩體建成后即進入蓄水階段,在該階段堆石料往往會產生浮力和浸水濕化效應,將導致堆石料的濕化變形。在土石壩有限元非線性模擬中,需要使用分級添加荷載的方法模擬該過程。在對土石壩進行數值模擬時,必須盡量與壩體的實際填筑情況相吻合,使計算結果更加準確。因此,在各層級上均要選擇相應的分析步驟來進行計算。

1.3 基于有限元方法的黏土心墻土石壩壩坡穩定計算方法研究

邊坡的穩定性及壩體加固處理通常需要基于壩體的穩定分析,目前常用的方法包括極限平衡法、極限分析法、數值方法等。其中,有限元強度折減法具有較強的適用性,常被用于邊坡穩定分析。畢肖普曾提出強度儲備安全系數,可用于分析圓弧滑動面[10]。強度折減法原理是在理想彈塑性有限元計算中,通過不斷折減巖土體的抗剪強度參數c,φ,直至邊坡達到臨界破壞狀態。此時,強度折減系數就是邊坡的穩定安全系數Fs1。當土體達到極限平衡狀態時,土體承受的剪應力計算表達式如下:

τ=ccr+σtanφcr

(1)

式中:τ為土體承受的剪應力;σ為正應力;ccr、φcr為臨界平衡狀態下的黏聚力和內摩擦角。

(2)

其中,Fs1會隨著點的位置而改變,而且還會隨著時間的推移而變化。當通過這一點時,滑動面的方向也發生了變化。應用有限元強度折減法分析邊坡穩定性時,邊坡安全系數的合成系數依賴于失穩準則。通常以特征點位移的突發性、塑性區的連通性和數值計算的收斂性,作為邊坡失穩的判斷標準。在建立有限元模型后,根據Mohr-Coulomb(摩爾-庫侖)強度屈服準則,選取位移收斂標準作為邊坡的破壞依據。基于邊坡安全系數定義,假設利用摩爾-庫倫準則描述邊坡土體。Zienkiewicz等在1975年提出強度折減系數,用其來解決與土工彈塑性有限元分析相關的問題。強度折減法示意圖見圖2[12]。

圖2 強度折減法示意圖

摩爾-庫侖模型是基于材料破壞時應力狀態的莫爾圓提出的,破壞線是圖2中與這些莫爾圓相切的直線。在σ～τ坐標系中,土體恰好實現極限平衡,并發生剪切破壞。K是指在邊坡處于臨界破壞條件時,可以進行調整的數值。通過多次計算,即可得到臨界條件。此時的抗剪強度指標為ccr、φcr、Kcr=1。則Fs的計算表達如下:

(3)

通過上述分析,強度折減法的實質即調整Fs。讓A線條接近C線條,直至與摩爾圓相切,從而得到安全系數。

本次研究以林溪水庫壩體為研究對象,通過有限元強度折減法分析其穩定性。然后根據壩體剖面,利用ADINA軟件對其進行數值模擬。在進行穩定計算時,壩基的計算范圍沿著壩踵向上游方向延展60m,再沿著壩趾向下游方向延展60m,深度方向再延展90m。

2 壩坡穩定計算監測結果分析

試驗將大壩變形以向下游作為正,向左岸作為正,反之為負;豎向位移以向下為正,向上為負,本次水平位移及豎向位移方向規定以此為標準。研究主要針對林溪水庫的表面變形、壩體滲流自動數據進行整理分析,對壩體變形、滲流等主要效應量在時間和空間上的分布規律進行分析。并對各觀測值的特征值進行統計分析,判斷變化規律和特征值是否正常,以此對大壩的穩定性進行評價。圖3為林溪水庫主壩與副壩的水平位移結果。

圖3 林溪水庫主壩與副壩的水平位移結果(2021年)

由圖3可知,經2021年度4次平面觀測后,主副壩相鄰期觀測值之間的差值極小,變化幅度在-4.01～+3.79mm之間,即向下游偏離最大不超過3.79mm,向上游偏離最大不超過4.01mm。大部分監測點位變幅均在2mm以內,且累積變化量均不超過4mm,大壩平面位移均處于穩定狀態。由水平位移過程曲線圖可知,主副壩水平位移偏離軸線的趨勢整體較為統一,各監測點位均在第三期時存在明顯的向上游、向下游的偏離趨勢,其他幾期偏離軸線趨勢均不明顯。

林溪水庫主壩與副壩的沉降結果見圖4。由圖4可知,2021年度4次沉降觀測中相鄰期沉降觀測值之間的差值均較小,變化幅度在-7.10～+4.10mm之間,即向下沉降最大不超過7.10mm,向上隆起最大不超過4.10mm,且2021年度的最大累積沉降量主壩不超過5.5mm,副壩不超過6.8mm,可判定主副壩沉降穩定。主壩沉降監測點沉降趨勢基本一致,前三季度整體逐漸向上隆起,第四季度整體沉降。副壩各沉降監測點沉降趨勢無整體規律,呈隆起、沉降交替狀態。

圖4 林溪水庫主壩與副壩的沉降結果(2021年)

表1為壩體滲流和滲透坡降計算結果。由表1可知,采用水動力學方法,對上游水位71.29m處的滲流量進行數值計算,得到高水頭條件下剖面單寬滲流量為0.95m2/d;采用有限元方法計算時,剖面單寬滲流量為0.86m2/d。在正常情況下,大壩的日滲漏量為每天77.76m3;在死水位條件下,大壩總的日滲漏量為46.65m3。在正常蓄水條件下,大壩泄水口的滲流坡降為1.502;在死水位條件下,大壩溢流點的滲透系數為0.896,遠遠低于大壩的容許滲透系數。

表1 林溪水庫水壩壩體滲流和滲透坡降計算結果

采用有限元強度折減法,對壩體3種工況下壩坡穩定進行計算分析,結果見圖5。由圖5可知,在穩定滲流期下游壩坡穩定階段,壩坡的抗滑穩定性安全系數為1.43。在水庫水位降落期上游壩坡穩定階段,壩坡的抗滑穩定性安全系數為1.29。在地震作用時下游壩坡穩定階段,壩坡的抗滑穩定性安全系數為1.21。同時,計算得到的3種工況下的Fs并未超過標準值。

圖5 3種工況下的壩坡穩定計算結果

3 結 論

本文通過對林溪水庫大壩的監測和分析,采用有限元法,對大壩的力學性能和穩定性進行了數值仿真。結果顯示,壩體的水平位移及沉陷符合常規土石壩的變形規律。在使用過程中,由儀表測量出的各種位移值變動幅度很小,各部位各點的變形也不顯著。采用水力學方法,計算上游水位高程71.29m時的滲流量,有限元結果為69.1m3/d。在正常蓄水情況下,大壩滲漏點的滲流坡降為1.502。在死水位情況下,心墻逸出點平均滲透坡降僅有0.896,遠小于壩體容許滲水系數,基本沒有發生滲水破壞。在穩定滲流期、庫水位降低階段、地震作用階段,其抗滑穩定安全系數分別為1.43、1.29和1.21。在3種工況下的Fs并未超過標準值,因此林溪水庫壩體的抗滑穩定性達到了設計標準。