雨季施工圍堰邊坡滲流穩(wěn)定性研究

李鳳會(huì)

(平陰縣浪溪河流域水利站,濟(jì)南 250401)

1 概 述

隨著我國(guó)水利水電工程建設(shè)的快速發(fā)展,水利建構(gòu)筑物越來越多,大量構(gòu)筑物的修建及加固需要在隔水環(huán)境下進(jìn)行,需通過圍堰進(jìn)行阻水,以保證施工正常進(jìn)行。因此,圍堰的穩(wěn)定性是影響施工安全及水工建筑物穩(wěn)定性的重要因素。

針對(duì)降雨入滲作用對(duì)圍堰邊坡穩(wěn)定性的影響,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。史堯等[1]基于數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了深井降水條件下的高邊坡土石圍堰穩(wěn)定性。結(jié)果表明,圍堰穩(wěn)定性隨著目標(biāo)降水位升高呈降低趨勢(shì),但目標(biāo)降水位降至一定深度后,圍堰穩(wěn)定性幾乎不再發(fā)生變化。汪洋等[2]基于數(shù)值模擬,研究了贊比亞某土石圍堰分期拆除過程中的邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明,圍堰背水面邊坡削薄處理過程對(duì)圍堰和背水面邊坡影響有限,分期拆除方案是安全的。羅立哲等[3]基于非線性理論,研究了高土石圍堰施工-運(yùn)行過程邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明,圍堰邊坡穩(wěn)定性最差的工況是基坑開挖后的堰前水位下降期,且水位下降速率一定時(shí),圍堰邊坡穩(wěn)定系數(shù)先減小后增加。李樹忱等[4]基于FLAC進(jìn)行流-固耦合分析,研究了水中填筑圍堰邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明,圍堰和基礎(chǔ)內(nèi)的孔隙水壓力下降是開挖后透水邊界增長(zhǎng)所導(dǎo)致。張守仁[5]基于Geo-Studio軟件,建立了土石壩計(jì)算模型,系統(tǒng)對(duì)比了僅考慮飽和滲流與考慮飽和-非飽和滲流狀態(tài)下土石壩穩(wěn)定性異同。結(jié)果表明,考慮飽和-非飽和滲流狀態(tài)下土石壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果比僅考慮飽和滲流狀態(tài)更為合理。

上述文獻(xiàn)研究表明,降雨是影響圍堰邊坡穩(wěn)定性的重要因素,但不同降雨雨型對(duì)圍堰邊坡穩(wěn)定性研究仍不完善。因此,本文采用Geo-Studio數(shù)值模擬系統(tǒng),開展圍堰邊坡滲流穩(wěn)定性研究,詳細(xì)分析降雨雨型對(duì)圍堰邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果可為水利工程施工提供參考。

2 飽和-非飽和滲流理論

非飽和達(dá)西定律為:

飽和-非飽和滲流理論中,多孔介質(zhì)滲流連續(xù)方程為:

式中:ρ為流體密度,g/cm3;vi為流體流速,m/s;Q*為流體流量,m3/s;n、Sw分別為土體孔隙率和飽和度。

聯(lián)立以上兩個(gè)方程,可得飽和-非飽和微分方程:

(3)

式中:C(hc)為容水度,無量綱;Ss為貯水量,kg·m-2·s-2。

3 工程概況

3.1 工程概況與數(shù)值模型

水利工程施工圍堰現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料揭示,研究區(qū)圍堰上部覆蓋層主要為粉砂土,厚度約5m,透水性中等,分布連續(xù),較松散。粉砂土下部分布有碎石土層,透水性較強(qiáng),厚度約3～5m。

根據(jù)圍堰典型剖面圖,建立數(shù)值計(jì)算模型,見圖1。其中,圍堰總長(zhǎng)度80m,高度20m,上游坡比和下游坡比均為1∶2。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文假定巖土體為理想均值材料,計(jì)算參數(shù)見表1。模型邊界條件為:①左側(cè)存在上游15m初始水位;②右側(cè)存在下游15m初始水位;③基礎(chǔ)底部為不透水邊界;④坡頂和坡面設(shè)置為降雨邊界;⑤上面為自由邊界。最終得到的網(wǎng)格總數(shù)為1 235個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 386個(gè)。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 計(jì)算工況

本次計(jì)算中,考慮4種不同的雨型(前峰值、中峰型、后峰型及均勻型)模擬降雨對(duì)圍堰內(nèi)部滲流場(chǎng)的影響規(guī)律,累計(jì)降雨量分別為360、600、850mm,降雨持續(xù)時(shí)間均為3d。具體設(shè)計(jì)方案見圖2。

圖2 降雨類型

4 結(jié)果與分析

4.1 孔隙水壓力變化

圖3為圍堰監(jiān)測(cè)斷面不同深度處的孔隙水壓力變化規(guī)律。結(jié)果表明,隨著時(shí)間的增大,圍堰不同深度處的孔隙水壓力表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。其中,在降雨初期,土體的含水率較低,降雨的入滲量較大,降水初期會(huì)形成較大的吸力梯度;在雨水入滲過程中,雨水持續(xù)入滲至圍堰坡體內(nèi)部,導(dǎo)致孔隙水壓力持續(xù)增大。同時(shí),隨著降雨入滲時(shí)間增長(zhǎng),土體有效應(yīng)力減小,最終會(huì)導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低,因此對(duì)圍堰的穩(wěn)定性不利。當(dāng)降雨持續(xù)到第3天時(shí),圍堰內(nèi)部的孔隙水壓力增大至最大值;當(dāng)降雨結(jié)束時(shí),土體內(nèi)部的孔隙水壓力開始消散,而深部的土體孔隙水壓力消散速度較慢,直到第4天才趨于穩(wěn)定。在第6天時(shí),圍堰17m深度處的孔隙水壓力恢復(fù)至初始孔隙水壓力的70%左右,表明降雨對(duì)圍堰影響具有滯后性。

圖3 降雨對(duì)圍堰孔隙水壓力的影響

4.2 滲透系數(shù)的變化

累計(jì)降雨量為850mm時(shí),降雨雨型對(duì)圍堰滲透系數(shù)的影響見圖4。總體來看,4種不同的降雨雨型對(duì)滲透系數(shù)的影響基本相同,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),滲透系數(shù)先增大后減小。由圖4(a)可知,對(duì)于前峰型降雨,由于初始降雨強(qiáng)度較大,雨水入滲速度大于消散速度,導(dǎo)致土體表面形成暫態(tài)飽和區(qū)。多余的降雨量在地表形成徑流排出。隨著降雨的進(jìn)行,飽和區(qū)擴(kuò)大,土體強(qiáng)度減小。此外,對(duì)于前峰型降雨,降雨后期降雨強(qiáng)度較小,雨水消散速度大于供給速度,因此土體的飽和度有所下降。由圖4(b)可知,中峰型雨型對(duì)滲透系數(shù)的影響呈對(duì)稱形態(tài)。由圖4(c)可知,對(duì)于后峰型降雨,表層巖土體在前中期降雨下含水率提高,導(dǎo)致后期降雨量較大時(shí)土體的滲透系數(shù)處于較高水平,因此雨水可以快速入滲。由圖4(d)可知,與其他3種降雨雨型相比,均勻型降雨的滲透系數(shù)明顯降低,在監(jiān)測(cè)斷面不同深度處的最大滲透系數(shù)均為0.31左右。

圖4 降雨雨型對(duì)圍堰滲透系數(shù)的影響

4.3 圍堰邊坡穩(wěn)定性的變化

不同累計(jì)降雨工況及不同雨型工況下,圍堰邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律見圖5。結(jié)果表明,不同累計(jì)降雨總量下,圍堰邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著時(shí)間的增大而先減小后增大。其中,前峰型降雨雨型的穩(wěn)定性降低最快,其次為均勻型、中峰型和后峰型。總體來看,圍堰邊坡受初期降雨量的影響最大,即前期降雨量越大,邊坡的穩(wěn)定性下降越快。此外,不同的累計(jì)降雨量工況下,降雨結(jié)束時(shí),后峰型的降雨類型對(duì)圍堰邊坡的穩(wěn)定性影響最大。當(dāng)降雨結(jié)束時(shí),邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)有所回升。其中,后峰型降雨由于后期的降雨量較大較集中,因此邊坡的穩(wěn)定性恢復(fù)到較大的時(shí)間比較慢。另外,根據(jù)不同雨型對(duì)邊坡強(qiáng)度影響的滯后性從長(zhǎng)到短依次為后峰型最長(zhǎng),均勻型其次,前峰型最短。

圖5 降雨雨型對(duì)圍堰邊坡穩(wěn)定性的影響

綜合以上分析可知,降雨過程中,圍堰邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小。在降雨初期,降雨強(qiáng)度越大,穩(wěn)定性下降速度越大。相同累計(jì)降雨量下,后峰型降雨對(duì)圍堰邊坡穩(wěn)定性影響最大。此外,邊坡的初期穩(wěn)定性系數(shù)受前峰型影響最快。

5 結(jié) 論

本文采用Geo-Studio數(shù)值計(jì)算軟件,系統(tǒng)研究了不同降雨雨型(前峰型、中峰型、后峰型和均勻型)對(duì)圍堰邊坡孔隙水壓力及穩(wěn)定性的影響。結(jié)論如下:

1)降雨量較小時(shí),土體能夠吸收一部分降雨,對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小;降雨量增到一定程度時(shí),土體一定深度形成飽和區(qū),對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響具有劣化作用。圍堰孔隙水壓力表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。降雨對(duì)圍堰影響具有滯后性,隨雨強(qiáng)增大,滯后性增大。

2)為了保證圍堰邊坡的穩(wěn)定性,對(duì)于雨季圍堰施工需增強(qiáng)排水措施,同時(shí)避免坡面雨水沖刷。雨后仍需加強(qiáng)監(jiān)測(cè),關(guān)注圍堰安全。

3)由于圍堰滲流穩(wěn)定性與地質(zhì)情況及施工質(zhì)量等有關(guān),因此研究結(jié)論需要結(jié)合其他工程圍堰施工進(jìn)一步確認(rèn)。