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        降雨條件下水電站棄渣場邊坡滲流特性及其穩(wěn)定性分析

        2018-09-25 07:52:08秦光輝張偉鋒
        東北水利水電 2018年9期
        關(guān)鍵詞:渣體渣場非飽和

        袁 木,秦光輝,張偉鋒

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司施工處,四川 成都 610072)

        目前我國水電工程多位于西部深山峽谷地區(qū),由于施工條件差、施工場地匱乏等原因,該區(qū)域的工程項目一般將開挖棄渣堆放于溝道內(nèi),這種溝道型棄渣場一般具有棄渣量大、堆渣高度較高等特點,渣場一旦失事將對主體工程或環(huán)境造成較為嚴(yán)重的影響。因此,棄渣場邊坡穩(wěn)定性是工程設(shè)計人員關(guān)注的重點問題,特別是在降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性更是值得深入研究、分析。

        國內(nèi)許多學(xué)者對降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,并取得一定的成果。賈蒼琴、黃茂松等人[1]采用有限元強度折減法方法對水位下降邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了探討和分析;王賀、張潔等人[2]提出了考慮時變效應(yīng)的花崗巖殘積土邊坡系統(tǒng)可靠度分析方法;向章波、張家銘等人[3]利用Slide軟件對降雨條件下的某紅層路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析;常金源、包含等人[4]建立了降雨入滲條件下淺層滑坡的概念模型,分別推導(dǎo)了降雨前有、無地下水位條件下的邊坡安全系數(shù)與降雨時間的關(guān)系表達(dá)式;陳新澤、唐輝明等人[5]利用有限差分軟件FLAC3D編制了滑坡體安全系數(shù)計算程序;唐棟、李典慶等人[6]對不同初始條件對不同土體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究,重點分析了考慮前期降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響,并得到一些有益的結(jié)論。

        以桐子林水電站頭道河渣場為研究對象,利用全球著名的加拿大巖土工程設(shè)計分析軟件GeoStudio,將其中的SEEP/W與SLOPE/W模塊進(jìn)行耦合計算,對水電站棄渣場在降雨條件下的滲流特性及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析,重點討論在持續(xù)降雨條件下棄渣場內(nèi)滲流場的變化及降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

        1 非飽和土體邊坡穩(wěn)定性分析理論

        1.1 土水特征曲線

        土水特征曲線在非飽和土力學(xué)中具有重要意義,反映體積含水率與土體基質(zhì)吸力之間的關(guān)系,可用來表征土體的吸水能力。土水特征曲線一般是通過試驗確定的,但試驗測量法難度較大。Fredlund等[7]對土體孔徑分布曲線進(jìn)行研究,并采用統(tǒng)計分析理論提出土-水特征曲線模型,如下所示:

        式中:θ——非飽和土的體積含水量;θs——土體飽和含水量;ψ——土體基質(zhì)吸力;ψr——殘余含水量所對應(yīng)的基質(zhì)吸力;a,b,c——模型擬合參數(shù)。

        1.2 飽和-非飽和滲流基本理論

        基于達(dá)西定律,對二維飽和-非飽和滲流問題進(jìn)行分析時,可以假定土體滲流各向同性,即可以得到簡化后的飽和-非飽和滲流微分方程:

        式中:kw——土體的滲透系數(shù),是基質(zhì)吸力的函數(shù);hw——總水頭;ρ——水的密度;g——重力加速度;θw——土體的體積含水率;(ua-uw)——土體的基質(zhì)吸力。

        式中:c′——有效黏聚力;φ′——有效黏聚力;(σ -ua)——為凈法向應(yīng)力;(ua-uw)——為基質(zhì)吸力;φb——為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角,通常會隨著基質(zhì)吸力的增大而減小,變化范圍為15°~20°,在分析中對其進(jìn)行了簡化處理,假設(shè)其為常數(shù)[9]。

        1.3 非飽和土抗剪強度公式

        降雨入滲過程中,邊坡非飽和土體抗剪強度受基質(zhì)吸力的影響,進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性。因此,本文采用了Fredlund等[8]提出的非飽和土體的抗剪強度公式:

        2 工程實例

        2.1 工程概況

        桐子林水電站位于攀枝花市鹽邊縣境內(nèi),距雅礱江與金沙江交匯口15 km,是雅礱江流域梯級開發(fā)的最下游一個電站。頭道河渣場位于大壩右岸下游約1.5 km處的頭道河溝內(nèi),屬于溝道型渣場,主要堆存來自引水渠、尾水渠、廠區(qū)、左右岸擋水壩、導(dǎo)流工程和交通設(shè)施的棄渣,估算堆放渣約為457.5萬m3(松方),根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》,頭道河棄渣場級別為3級。渣場典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

        圖1 頭道河渣場典型斷面地質(zhì)剖面

        2.2 巖土層參數(shù)

        在飽和-非飽和滲流分析中,基于土體飽和含水率、飽和滲透系數(shù)等特征參數(shù),采用SEEP/W模塊中自帶的Fredlund&Xing土-水特征曲線模型擬合推導(dǎo)得到渣體的土水特征曲線,繪制的曲線如圖2,3所示。各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        圖2 渣體滲透系數(shù)曲線

        圖3 渣體土水特征曲線

        表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

        2.3 數(shù)值模擬

        在降雨入滲條件下,非飽和土層中孔隙水壓力隨之升高、土體重度隨之增加,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)則會隨之降低。本文首先對渣體進(jìn)行飽和-非飽和滲流分析,確定降雨入滲條件下的渣體內(nèi)部孔隙水壓力場,然后進(jìn)行渣體邊坡穩(wěn)定性分析確定安全系數(shù)。

        數(shù)值計算模型:根據(jù)頭道河渣場現(xiàn)狀建立數(shù)值計算模型,非飽和滲流計算時采用三角形單元和四邊形單元對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分,共剖分為997個單元,1 057個節(jié)點,并在模型表面設(shè)置A、B、C3個監(jiān)測點,如圖4所示。

        圖4 頭道河渣場數(shù)值計算模型

        降雨過程模擬:根據(jù)四川省一般降雨強度標(biāo)準(zhǔn),大雨強度日降雨量為25~50 mm,暴雨強度日降雨量為50~100 mm。本文模擬桐子林水電站頭道河渣場遭遇一次暴雨降雨過程,降雨歷時7 d,最大日降雨量為60 mm,雨停之后再計算8 d,總共歷時15 d,降雨過程如圖5所示。

        圖5 降雨過程模擬

        邊界條件處理:渣體表面入滲邊界取為降雨流量邊界;對于模型兩側(cè),地下水位以上取為零流量邊界,地下水位以下取為水頭邊界;模型底面取為零流量邊界。

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 天然狀態(tài)分析

        天然狀態(tài)下渣體邊坡的孔隙水壓力分布情況如圖6所示。可以看出,在天然狀態(tài)下,渣體邊坡中的孔隙水壓力分布較為均勻,在地下水位線處,孔隙水壓力為0,地下水位線以上,孔隙水壓力為負(fù)值,即處于非飽和狀態(tài)。正常工況下采用簡化Bishop法計算搜索得到棄渣場邊坡最危險滑面如圖7所示,對應(yīng)最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.422,滿足GB 51018-2014《水土保持工程工程設(shè)計規(guī)范》關(guān)于棄渣場抗滑穩(wěn)定計算值不小于1.25的要求,即渣體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖6 天然狀態(tài)孔隙水壓力分布

        圖7 正常工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

        3.2 降雨條件下滲流特性分析

        渣體邊坡孔隙水壓力分布云圖隨時間的變化如圖8所示。降雨發(fā)生時,雨水慢慢滲入渣體內(nèi)部,渣體內(nèi)部含水率逐漸增大,并在渣體內(nèi)部形成新的孔隙水壓力等值線,渣體表面附近處孔隙水壓力逐漸增大,隨著降雨的持續(xù),坡體表面附近孔隙水壓力曲線進(jìn)一步向渣體內(nèi)部調(diào)整,說明雨水慢慢向內(nèi)部入滲;隨著降雨的進(jìn)一步持續(xù),部分區(qū)域孔隙水壓力越來越接近于0,直至出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū),在坡體表面形成正的暫態(tài)水壓力,孔隙水壓力變?yōu)檎?。降雨停止后,渣體表面孔隙水壓力逐漸消散,渣體內(nèi)部由于有上部滲水的補充孔隙水壓力仍在緩慢增大。

        坡體表面A,B,C監(jiān)測點的孔隙水壓力隨時間的變化曲線如圖9所示,從圖中可以看出:

        圖8 孔隙水壓力隨時間變化情況(單位:kPa)

        1)在降雨發(fā)生的7 d時間內(nèi),A,B,C監(jiān)測點的孔隙水壓力隨降雨持續(xù)而不斷增大,A點孔隙水壓力由-49.03 kPa增大到-0.97 kPa,B點的孔隙水壓力由-49.03 kPa增大到2.17 kPa,C點的孔隙水壓力由-49.03 kPa增大到1.10 kPa,在降雨中期,孔隙水壓力增長速率較大,后期趨于平緩;

        2)B,C兩監(jiān)測點相對A監(jiān)測點出現(xiàn)了正孔隙水壓力,這是因為B監(jiān)測點位于馬道附近,C監(jiān)測點位于渣腳附近,在降雨過程中該部位容易出現(xiàn)積水,從而形成暫態(tài)飽和區(qū),導(dǎo)致正孔隙水壓力的出現(xiàn);

        3)降雨停止后,由于渣體表面先失去水分,C監(jiān)測點的孔隙水壓力均隨時間而逐漸減小。

        圖9 孔隙水壓力隨時間變化曲線

        3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

        在滲流計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,運用SLOPE/W模塊進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,采用簡化Bishop法得到邊坡安全系數(shù)隨降雨持時的變化如圖10所示,第15 d時簡化Bishop法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如圖11所示。從圖中可以看出,棄渣場邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨時間的增加而逐漸降低,降雨中期安全系數(shù)降低較快,雨停之后,邊坡穩(wěn)定系數(shù)仍在緩慢降低直至穩(wěn)定狀態(tài),邊坡穩(wěn)定系數(shù)從1.422降低至1.394,降低1.97%。

        由此可見:

        1)降雨發(fā)生時,雨水逐漸從渣體表面滲入內(nèi)部,使得孔隙水壓力增大,渣體內(nèi)含水率增加,基質(zhì)吸力減小,渣體邊坡淺層部位達(dá)到飽和狀態(tài),使得渣體抗剪強度參數(shù)不斷降低,導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)不斷減小,降雨停止之后邊坡內(nèi)孔隙水壓力逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài),邊坡安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。

        2)由于渣體滲透系數(shù)一般較大,滲透性較好,雨水可以較快的下滲,降雨期間棄渣場邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)降低相對不大。

        圖10 安全穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

        圖11 第15 d邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)

        在實際工程計算時,對于暴雨工況下的棄渣場邊坡穩(wěn)定計算往往采用參數(shù)折減法進(jìn)行簡單計算,本文對兩種計算方法進(jìn)行對比分析,暴雨工況下渣體的物理力學(xué)參數(shù)作如下折減:重度采用濕重度,內(nèi)摩擦角由26.5°降低至25°,粘聚力由10 kPa降低至5 kPa,其余參數(shù)不變。采用瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法分別計算,結(jié)果對比如表2所示。從表2中可看出,瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法采用參數(shù)折減計算出棄渣場邊坡安全系數(shù)均比采用滲流穩(wěn)定耦合計算的結(jié)果要小,二者差值在9%~10%左右;參數(shù)折減條件下采用簡化Bishop法計算得到的安全系數(shù)為1.256,初始狀態(tài)下安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.422,安全系數(shù)降低了11.7%。由此可見,參數(shù)折減法計算結(jié)果相對偏于保守,滲流穩(wěn)定計算結(jié)果更加貼近于實際。

        表2 渣體邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)計暴雨工況算結(jié)果對比

        4 結(jié)論

        基于桐子林水電站頭道河渣場,利用SEEP/W與SLOPE/W模塊進(jìn)行耦合計算,對水電站棄渣場在降雨條件下的滲流特性及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析,得到以下結(jié)論:

        1)降雨發(fā)生時,渣體內(nèi)部含水率增加,孔隙水壓力逐漸增大,隨著降雨的持續(xù),渣體表面部分區(qū)域會形成暫態(tài)飽和區(qū),在坡體表面形成正的暫態(tài)水壓力,孔隙水壓力變?yōu)檎担?/p>

        2)降雨停止后,渣體表面孔隙水壓力逐漸消散,孔隙水壓力緩慢減小,渣體內(nèi)部由于有上部滲水的補充孔隙水壓力仍在緩慢增大;

        3)降雨入滲導(dǎo)致渣體內(nèi)部基質(zhì)吸力減小,渣體抗剪強度參數(shù)不斷降低,渣體邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)不斷減小,邊坡穩(wěn)定性下降,雨停之后邊坡安全系數(shù)趨于穩(wěn)定;

        4)相對于采用滲流穩(wěn)定計算,采用參數(shù)折減法計算暴雨工況得到的渣體邊坡穩(wěn)定系數(shù)偏小,結(jié)果相對偏于保守。

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