葉卓鋒

(廣東省佛山市高明區(qū)荷城街道水利所,廣東 佛山 528500)

0 引 言

降雨入滲是邊坡穩(wěn)定性的重大威脅,可對(duì)水利工程、±木工程、巖±工程等造成嚴(yán)重影響。 近年來(lái),我國(guó)多地發(fā)生大暴雨,許多建筑物等基礎(chǔ)設(shè)施在洪災(zāi)中被嚴(yán)重的損壞和坍塌。 以±石壩為例,研究人員發(fā)現(xiàn)在降雨后,±石壩下游容易出現(xiàn)開裂,其裂縫沿±石壩軸線方向發(fā)育,降雨和水位問(wèn)題對(duì)±石壩具有不可忽視的影響。 因此,研究水位變化與降雨對(duì)±石壩穩(wěn)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(jì)算模型,分析降雨入滲時(shí)間和庫(kù)水位變化對(duì)上下游不同測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)之間的關(guān)系,并揭示其變化規(guī)律,為±石壩設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 工程概況

某水庫(kù)集防洪、發(fā)電、生態(tài)補(bǔ)水于一體,水庫(kù)總庫(kù)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(zhǎng)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?jié)B等級(jí)為W8。 上游壩坡高程95m,其下部基巖為毆灰?guī)r。 壩區(qū)主要以結(jié)晶白云巖為主,存在少部分白云巖條帶。

2 計(jì)算模型

采用Geo-Studio 軟件,建立心墻壩數(shù)值模擬模型。 根據(jù)實(shí)地考察和查閱相關(guān)文獻(xiàn)規(guī)范,心墻壩模型材料的物理參數(shù)見表1。

表1 心墻壩模型材料的物理參數(shù)

工況計(jì)算見表2。

表2 工況計(jì)算表

3 結(jié)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(cè)點(diǎn)從上至下分別為1、2、3、4、5,上游和下游分別設(shè)置3 個(gè)壩體孔壓測(cè)點(diǎn)。 圖1 為降雨時(shí)間與心墻壩孔隙水壓力的關(guān)系。 從圖1可以看出,5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均有變化,表明雨水已滲入到最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)中。 在降雨之前,心墻壩孔隙水壓力隨測(cè)點(diǎn)深度的增加而增加,且均為負(fù)壓。 隨著降雨時(shí)間的不斷增加,心墻壩孔隙水壓力隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)。 在降雨初期,隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加,孔隙水壓力變化的速度不同,由于表層測(cè)點(diǎn)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(dǎo)致深層測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力響應(yīng)時(shí)間比淺層慢[3-4]。

圖1 降雨入滲作用下孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系

圖2 為工況一上游和下游壩坡孔隙水壓力隨時(shí)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(cè)點(diǎn)受到降雨入滲的影響,導(dǎo)致孔隙水壓力增大,但坡肩和坡腳高程低于庫(kù)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(fā)生前,P1、P2、P3 的初始孔隙水壓力差別較大。 當(dāng)降雨作用發(fā)生后,坡頂?shù)目紫端畨毫ψ兓畲?其次為坡肩,坡腳的孔隙水壓力變化不明顯。 另外,3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均隨時(shí)間的推移而遞增。 其原因可能是P3 測(cè)點(diǎn)的高程位于浸潤(rùn)線以下,使降雨作用在降雨發(fā)生前期,對(duì)P3 孔隙水壓力的影響較小。

圖2 工況一降雨入滲作用下庫(kù)壩坡孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系

從上游和下游壩坡孔隙水壓力隨時(shí)間響應(yīng)的情況可知,降雨強(qiáng)度對(duì)壩坡淺層孔壓有較大影響,主要是由于降雨導(dǎo)致心墻壩壩體淺層±體達(dá)到飽和狀態(tài),發(fā)生入滲作用,這種飽和現(xiàn)象在降雨停止后,僅能存在一段時(shí)間。 經(jīng)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(yīng)相較于淺層±更為滯后,而且這種滯后響應(yīng)會(huì)隨著深度的增加而增加。 孔隙水壓力在不同深度發(fā)生的孔壓差,可以解釋降雨通常容易誘發(fā)滑坡的產(chǎn)生。

3.1.2 孔隙水壓力在庫(kù)水位作用下的變化

在3 種工況下,W1 測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力隨時(shí)間的變化不明顯;W2 測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力變化相較于W1 幅度更大;而W3 測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力先發(fā)生驟降,然后趨于平緩。 這是因?yàn)閹?kù)水位停止變化時(shí),孔隙水壓力的變化也隨即停止。 庫(kù)水位變化對(duì)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(kù)水位變化速率越大,W2、W3 測(cè)點(diǎn)的孔壓變化程度也越大。 見圖3。

圖3 庫(kù)水位作用下上游孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)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(kù)水位變化速率的影響很小。

圖4 庫(kù)水位作用下下游孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系

3.1.3 孔隙水壓力在降雨和庫(kù)水位共同作用下的變化

從圖5 可以看出,W1 測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力的變化主要受降雨作用的影響;而庫(kù)水位高度對(duì)W2、W3 測(cè)點(diǎn)造成的影響更加顯著。

圖5 降雨和庫(kù)水位共同作用下上游孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系

在降雨入滲和庫(kù)水位變化的共同作用下,心墻壩下游孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)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(jìn)行分析。 從圖6 可以看出,3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均隨時(shí)間的變化呈增大的趨勢(shì),表明在3 個(gè)測(cè)點(diǎn)上降雨入滲對(duì)孔隙水壓力的影響更大。

圖6 降雨和庫(kù)水位共同作用下下游孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系

綜上所述,降雨入滲和庫(kù)水位變化共同作用于上游壩坡的孔隙水壓力與庫(kù)水位變化單獨(dú)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(kù)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(dú)作用于下游壩坡孔壓的影響差別也不明顯,表明對(duì)上游和下游壩坡孔隙水壓力產(chǎn)生主要作用是由單一因素造成的。

3.2 心墻壩穩(wěn)定性分析

3.2.1 降雨入滲作用對(duì)土石壩穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

本文采用Bishop 條分法,計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù),分析心墻壩的穩(wěn)定性。 在工況一中,降雨入滲作用對(duì)上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響并不大,隨著時(shí)間的推移呈減小趨勢(shì)。 從第1 天到第4 天,工況一下游穩(wěn)定安全系數(shù)變化不明顯;第5 天雨量變大,其安全系數(shù)開始呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);當(dāng)時(shí)間達(dá)到第20 天,降雨結(jié)束,其安全系數(shù)開始驟降。 由此可以看出,降雨入滲作用對(duì)下游壩坡安全系數(shù)的影響較大,對(duì)上游的影響較小,表明降雨入滲對(duì)心墻壩安全系數(shù)的影響具有顯著的滯后性。 見圖7。

圖7 安全系數(shù)在降雨入滲作用下與降雨時(shí)間的關(guān)系

3.2.2 庫(kù)水位變化對(duì)土石壩穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

由圖8(a)可知,當(dāng)庫(kù)水位開始下降,上游安全系數(shù)的響應(yīng)幅度較大;當(dāng)庫(kù)水位變化停止后,上游安全系數(shù)的響應(yīng)幅度開始明顯減弱,并有所回升。 表明庫(kù)水位的下降速率越大,穩(wěn)定安全系數(shù)的下降速率越大。 由圖8(b)可知,隨著庫(kù)水位高程的下降,下游抗滑安全系數(shù)不斷上升,這與上游所展現(xiàn)的情況相反,呈負(fù)相關(guān)性。

圖8 安全系數(shù)在庫(kù)水位作用下與時(shí)間變化的關(guān)系

可以看出,庫(kù)水位在發(fā)生下降的過(guò)程中,由于浸潤(rùn)線的變化在±中具有一定的滯后性,容易在壩下±體內(nèi)部形成水力梯度,產(chǎn)生滲流作用,導(dǎo)致壩坡上的靜水壓力被抵消,從而產(chǎn)生超孔隙水壓力,方向指向壩體外部。 這種超孔隙水壓力會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致拖拽力,使±體下滑力隨之增大,穩(wěn)定安全系數(shù)隨之減小。 綜上所述,庫(kù)水位下降速率越低,壩體越穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文分析了±石壩孔隙水壓力在降雨入滲作用和庫(kù)水位變化作用下的影響。 結(jié)果表明,降雨入滲作用會(huì)導(dǎo)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(kù)水位變化作用于上游壩坡時(shí),庫(kù)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(kù)水位變化響應(yīng)最顯著的是坡腳位置,其次為坡肩和坡頂。 此外,庫(kù)水位下降的速率與上游壩坡安全系數(shù)下降的速率呈正相關(guān)。

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