常利營，葉發(fā)明，陳 群

(1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；3.四川大學 水利水電學院 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

目前我國已建及在建的高心墻堆石壩都采用礫石土作為心墻防滲料[1-2]，礫石土的工程性質(zhì)與其級配有著密切的關(guān)系。如何選擇礫石土的級配控制標準是土石壩工程需要特別重視的問題?！赌雺菏酵潦瘔卧O(shè)計規(guī)范》[3]中對填筑防滲體礫石土的要求為：粒徑大于5 mm 的顆粒含量（P5含量，指質(zhì)量分數(shù)，下同）不宜超過50%，擊實后滲透系數(shù)小于1×10?5cm/s。礫石土心墻壩為當?shù)夭牧蠅危畲笙薅鹊乩卯數(shù)靥烊徊牧鲜瞧湟淮筇攸c。由于地理、地質(zhì)條件限制，很多地區(qū)的天然土料不能同時滿足高壩防滲與強度性能要求，因而需要考慮摻配或其他處理方式以改善其工程特性。然而，由于料源的復(fù)雜性、開采的難度及料源的儲量受限等因素[4]，摻配后P5含量有可能無法完全滿足規(guī)范要求。在施工過程中，由于施工質(zhì)量的差異，也會導致心墻局部出現(xiàn)P5含量不滿足規(guī)范要求的情況。當P5含量超過50%時，其滲透系數(shù)會超過1×10?5m/s，可能會影響壩體的滲透穩(wěn)定。心墻中出現(xiàn)P5含量超過50%的部位也是隨機分布的，此時心墻整體滲透性存在一定的不均勻性[5]。目前對心墻局部礫石土粗粒含量超標對壩體滲流影響的研究還相對較少。

胡冉等[6]通過對心墻滲透坡降較大區(qū)域節(jié)點建立滲透穩(wěn)定功能函數(shù)，分析了心墻滲透系數(shù)變異性對心墻滲透破壞失效概率的影響；王林等[7]采用蒙特卡羅隨機有限元法對山坪土石壩進行了隨機滲流場分析，研究了滲透系數(shù)等的隨機特性對滲流的影響；王飛等[8]基于一階Taylor 隨機有限元法，將滲透系數(shù)視為三維獨立正交隨機場，研究了其對滲流場中水頭和水力梯度的影響；李守巨等[9]采用ANSYS 中APDL 語言，模擬了多孔介質(zhì)材料隨機滲流場，研究了等效滲透系數(shù)與孔隙率的相關(guān)關(guān)系；汪濤等[10]通過引入隨機數(shù)的概念，研究了不同施工超標率和超標單元滲透系數(shù)對壩體滲流場的影響；馮璐[11]研究了滲透系數(shù)的隨機程度、各向異性程度及分層隨機性對壩體滲流場的影響。

上述研究均表明材料滲透系數(shù)的變異會對滲流場產(chǎn)生較大的影響，但是研究對象都是整體存在滲透性隨機差異的巖土體，在實際工程中，為了更合理地利用天然土料，一般會對壩體進行分區(qū)設(shè)計，不同區(qū)域采用不同的土料，最大限度降低工程造價，因此，本文結(jié)合壩體心墻的分區(qū)設(shè)計，采用ABAQUS 有限元軟件，研究粗粒含量超標對壩體穩(wěn)定滲流場的影響，為心墻土料的分區(qū)利用提供參考。

1 計算模型

本文對兩河口心墻堆石壩進行了簡化，壩體典型橫斷面中壩底高程為0 m，壩頂高程295.0 m，正常水位285.0 m，下游水位30.0 m，壩頂寬16 m，壩底寬1 137 m，順河向壩底總長1 137 m，大壩心墻采用礫石土直立式心墻型式，心墻上、下游坡比均為1∶0.2，上游反濾層水平厚度為8.0 m，下游反濾層水平厚度為12.0 m，上、下游反濾層的坡比也都為1∶0.2，上、下游反濾層與堆石體間設(shè)置過渡層，上、下游過渡層的坡比均為1∶0.4，上游壩坡坡比為1∶2.0，下游壩坡坡比為1∶1.8。心墻分三區(qū)，心墻下部：高程范圍0～140 m，心墻中部：高程范圍140～210 m，心墻上部：高程范圍210～295 m。以壩體典型橫剖面為基礎(chǔ)建立了有限元模型，壩體滲透坡降最大值與心墻控制性網(wǎng)格及單寬滲流量的關(guān)系如圖1 所示，可見當心墻單元尺寸不超過5.0 m 時，滲透坡降最大值和單寬滲流量的變化都較小，因此本文計算中心墻單元分網(wǎng)基本尺寸為5.0 m，計算模型共有17 352 個單元，單元類型有八面體單元和六面體單元兩類，有限元計算中順河流方向為X軸，壩軸線方向為Y軸，高程方向為Z軸，沿壩軸線方向取40.0 m。

圖1 滲透坡降和滲流量對網(wǎng)格尺寸的依賴性Fig.1 Dependence of seepage gradient and seepage discharge on the mesh size

1.1 計算方案

穩(wěn)定滲流工況下，壩體上游水位為285.0 m，下游水位為30.0 m，大壩迎水面上游水位以下、背水面下游水位以下都施加定水頭邊界條件，背水面下游水位以上為自由出流邊界，其余壩體外表面為不透水邊界。

本文主要研究心墻3 個分區(qū)內(nèi)分別出現(xiàn)粗粒含量超標時對壩體滲流的影響，在進行有限元計算時，首先對心墻某分區(qū)內(nèi)的所有單元按均勻分布進行隨機抽樣，使抽得的單元體積占比（本文稱為超標率）滿足設(shè)定值，超標的概率為0 時，即心墻料中粗粒含量都為50%，為基準方案，即心墻整體粗粒含量都為50%。心墻上、中、下部的超標率設(shè)各為20%、40%、60%、80%和100%等5 種情況，未超標單元的粗粒含量為50%，超標單元的粗粒含量設(shè)為55%、60%、65%和70%，組合為12 種計算工況。以計算方案L55-20 為例，代表方案中超標部位在心墻下部，超標單元粗粒含量為55%，超標率為20%。根據(jù)粗粒含量的不同，超標單元（P5>50%）和未超標單元（P5=50%）賦予相應(yīng)的滲透系數(shù)。

1.2 計算參數(shù)

結(jié)合兩河口土料室內(nèi)試驗結(jié)果，中心墻礫石土未超標時（即P5=50%）滲透系數(shù)k采用1.00×10?5cm/s，滿足規(guī)范要求。結(jié)合工程經(jīng)驗和相關(guān)滲透試驗數(shù)據(jù)，粗粒含量超過50%后，隨著粗粒含量的增加，礫石土滲透系數(shù)隨之增大，滲透破壞坡降隨之減小，因此，處理粗粒含量超標時（即P5>50%）滲透系數(shù)和滲透坡降也有所不同，計算中壩體各材料的滲流計算參數(shù)見表1。ABAQUS 在分析滲流問題時同時存在飽和與非飽和滲流[12]，計算中各壩體材料采用的土-水特征曲線如圖2 所示，以描述土料的非飽和特性。壩體材料都采用各向同性材料。壩體的抗?jié)B安全系數(shù)一般取為2.0，則允許滲透坡降為破壞坡降值的1/2，不同粗粒含量下礫石土的允許滲透坡降取值見表1。

圖2 壩體材料土-水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curves of dam materials

表1 壩體材料計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of dam materials

2 計算結(jié)果及分析

2.1 粗粒含量超標對壩體孔壓分布及滲流量的影響

當心墻粗粒含量超標時，壩體堆石區(qū)、過渡區(qū)和反濾區(qū)的孔壓分布與無超標時（基準方案）的幾乎相同，因此，以下分析中僅給出不同方案下心墻中的孔壓等值線分布進行對比分析。

圖3 給出了心墻下部粗粒含量超標20%時各方案心墻內(nèi)孔壓分布，心墻中部和上部的規(guī)律與之類似，文中不再給出。當心墻單元存在粗粒含量超標時，除了超標率為100%的情況，心墻超標單元所在區(qū)域內(nèi)孔壓等值線不再光滑平順，且隨著粗粒含量的增大，等值線彎曲程度也更加明顯；超標率為100%時，心墻內(nèi)土料又變得均勻，因此等值線仍是光滑平順的，與基準方案相同。

圖3 心墻下部粗粒含量超標20%時孔壓分布Fig.3 Distribution of pore pressures in the cores having an over-standard rate of 20% at the power part

圖4(a)給出了心墻下部粗粒含量超標時各方案心墻內(nèi)滲流出逸高程的變化，心墻中部和上部的規(guī)律與之類似，文中不再給出?？梢钥闯觯瑯藛卧至：繛?0%～60%時，心墻內(nèi)出逸高程都基本保持不變，說明在此范圍內(nèi)心墻承擔的水頭差比例基本相當，心墻都起到了很好的防滲效果；超標單元粗粒含量大于60%后，出逸高程隨著粗粒含量的增大而增高。超標單元所在區(qū)域為心墻下部時，出逸高程增加較為明顯，超標單元所在區(qū)域為心墻中部或心墻上部時，出逸高程增加很??；超標率越大，出逸高程越高，心墻內(nèi)飽和區(qū)范圍越大。

圖4(b)給出了心墻下部粗粒含量超標時各方案壩體的單寬滲流量，心墻中部和上部的規(guī)律與之類似，文中不再給出。圖4(b)中P5=50%方案都為基準方案，即心墻整體粗粒含量都為50%?？梢钥闯?，隨著粗粒含量和超標率的增大，壩體單寬滲流量都隨之增加。相同條件下，超標單元所在區(qū)域為心墻下部時壩體單寬滲流量最大，為心墻上部時滲流量最小。以心墻粗粒含量未超標時即基準方案的滲流量為基準值進行比較，從計算結(jié)果可以得出，當超標單元所在區(qū)域為心墻中上部，超標單元粗粒含量小于55%時，壩體單寬滲流量的增量很小，最大增幅為30.1%；超標單元粗粒含量為55%～60%時，滲流量有一定增大，最大增幅為96.4%；超標單元粗粒含量大于60%時，滲流量明顯增大。當超標單元所在區(qū)域為心墻下部，超標單元粗粒含量小于55%時，壩體單寬滲流量有一定增加，最大增幅約120%；超標單元粗粒含量為55%～60%時，超標率小于20%時，滲流量增加不大，最大增幅為52.7%，隨著超標率的增加，滲流量增加較明顯；超標單元粗粒含量大于60%時，滲流量顯著增大。

圖4 心墻下部粗粒含量超標時滲流出逸高程和單寬滲流量的變化Fig.4 Changes in the seepage exit elevation and the seepage discharge per unit width for the cases having a coarse-grained content larger than 50% in the lower part

2.2 粗粒含量超標對壩體滲透坡降的影響

最大滲透坡降隨超標單元粗粒含量的變化如圖5 所示。從圖5 可以看出，當超標區(qū)域位于心墻上部時，隨著超標單元粗粒含量的增大，最大滲透坡降增幅很小；超標區(qū)域位于心墻下部或中部，當超標率小于100%時，最大滲透坡降隨著超標單元粗粒含量的增大都明顯變大，當超標率為100%時，心墻材料變得均勻，與基準方案類似，最大滲透坡降變化很小。以心墻粗粒含量未超標時即基準方案的最大滲透坡降為基準值進行比較，從計算結(jié)果可以看出，對于超標區(qū)域在上部的情況，最大滲透坡降增幅都很小；對于超標區(qū)域在中下部的情況，除去超標率為100%的方案外，當超標單元粗粒含量小于55%時，最大滲透坡降的增量都較小，最大增幅為36.4%；超標單元粗粒含量為55%～60%時，最大滲透坡降有一定增大，最大增幅為102.4%；超標單元粗粒含量大于60%時，最大滲透坡降顯著增大。

圖5 心墻不同區(qū)域粗粒含量超標時最大滲透坡降Fig.5 Changes in the maximum seepage gradient in the cores having a coarse-grained content larger than 50%

圖6 和圖7 給出了不同方案下心墻內(nèi)粗粒含量超標單元和未超標單元滲透坡降最大變幅隨粗粒含量的變化。可以看出，當心墻粗粒含量超標時，超標單元和未超標單元中都有部分單元的滲透坡降增大，也有部分單元的滲透坡降減小，且最大增幅和最大降幅都隨著粗粒含量的增大而增加；未超標單元的最大增幅明顯高于最大降幅，超標單元的最大增幅和最大降幅基本相當，且整個心墻中的最大滲透坡降也都出現(xiàn)在未超標單元處。從計算結(jié)果看，最大滲透坡降所在位置也比較隨機，可能出現(xiàn)在心墻出逸處、心墻內(nèi)部或心墻下游浸潤面上。

圖6 心墻不同區(qū)域粗粒含量超標時心墻內(nèi)未超標單元滲透坡降變幅(虛線為增幅，實線為減幅)Fig.6 Changes in the maximum gradient range in the elements having a coarse-grained content equal to 50%

根據(jù)已有研究成果，礫石土的滲透破壞形式有兩種：在滲流出口發(fā)生流土或在心墻內(nèi)部發(fā)生管涌，如果心墻中滲流出逸處滲透坡降沒有超過破壞坡降，即使心墻內(nèi)部滲透坡降增大較多，心墻的滲透穩(wěn)定性仍然有保證；如果是心墻出逸口處的坡降超過了破壞坡降，當粗粒含量不超過55%時，從本文結(jié)果看，超出百分比也很小，加之反濾層的保護作用，滲透破壞發(fā)生的可能性也很小。因此，在實際工程中結(jié)合礫石土料的級配和細粒含量情況，做好下游反濾層的設(shè)計，并嚴格控制施工壓實度，可以將心墻礫石土的粗粒含量控制在55%以內(nèi)，能基本保證壩體的滲透穩(wěn)定。

從以上分析中還可以看出，當心墻粗粒含量超標時，粗粒含量未超標單元和超標單元的滲透坡降都有可能超過其允許坡降，圖8 給出了心墻內(nèi)單元滲透坡降超過允許坡降的體積百分比隨粗粒含量的變化曲線，可以看出，當超標區(qū)域在心墻上部時，單元滲透坡降超過允許值的百分比幾乎為零。當超標區(qū)域在心墻中下部，粗粒含量不超過55%時，單元滲透坡降超過允許值的百分比很小，對心墻整體的滲透穩(wěn)定性幾乎沒有影響；粗粒含量在55%～60%時，心墻單元滲透坡降超過允許值的百分比不超過5%，對心墻整體滲透穩(wěn)定性的影響較??；粗粒含量超過60%后，心墻單元滲透坡降超過允許值的百分比增大明顯，隨著超出的體積百分比的增大，心墻內(nèi)的薄弱部位有可能發(fā)生滲透破壞并形成滲漏通道，對心墻整體的滲透穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

圖8 心墻不同區(qū)域粗粒含量超標時單元滲透坡降超過允許坡降體積百分比Fig.8 Changes in the volume percentage over allowable seepage gradient in the cores having a coarse-grained content larger than 50%

3 結(jié)語

采用ABAQUS 有限元軟件，根據(jù)礫石土滲透系數(shù)隨粗粒含量增多而變大的特點，通過對粗粒含量超標單元賦予不同的滲透系數(shù)，研究了心墻不同高程范圍內(nèi)礫石土粗粒含量超過50%時對壩體穩(wěn)定滲流場的影響，得到如下結(jié)論：

（1）當心墻單元存在粗粒含量超標時，心墻超標單元所在區(qū)域內(nèi)孔壓等值線不再光滑平順，且隨著粗粒含量的增大，等值線彎曲程度也更加明顯，壩體單寬滲流量都隨之增加，超標單元粗粒含量為50%～60%時，心墻內(nèi)出逸高程都基本保持不變；超標單元粗粒含量大于60%后，出逸高程隨著粗粒含量的增大而增高，超標率越大，出逸高程越高，心墻內(nèi)飽和區(qū)范圍越大。

（2）當心墻單元存在粗粒含量超標時，超標單元和未超標單元中都有部分單元的滲透坡降增大，也有部分單元的滲透坡降減小，整個心墻中的最大滲透坡降都出現(xiàn)在未超標單元處。當超標區(qū)域位于心墻上部時，最大滲透坡降增幅很小，且都沒有超過允許坡降；對于超標區(qū)域在中下部的情況，除去超標率為100%的方案外，當超標單元粗粒含量小于55%時，滲透坡降最大增幅為36.4%，且超過允許值的百分比很小，超標單元粗粒含量大于55%時，最大滲透坡降顯著增大，且超過允許坡降的百分比隨之增多，有可能在心墻內(nèi)部形成滲透通道，從而影響大壩滲透安全。