不同降雨條件下壩坡滲流與穩(wěn)定性影響分析

姜旭新

（新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊830000）

在我國(guó)許多庫(kù)區(qū)，庫(kù)水的變化通常會(huì)造成有些坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞，對(duì)航道造成很大影響。

研究及統(tǒng)計(jì)資料表明，影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞的重要因素是地下水。地下水的滲流作用會(huì)影響邊坡內(nèi)的滲流場(chǎng)變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性［1-3］。為了確定浸潤(rùn)面位置，眾多學(xué)者采用解析方法［4］對(duì)其進(jìn)行了研究。目前多采用數(shù)值模擬方法［5-7］對(duì)其進(jìn)行工程計(jì)算。

本文利用Phase2軟件，對(duì)帶塑性混凝土心墻的壩體進(jìn)行分析，對(duì)不同降雨條件下的壩體進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 基本滲流理論

地下水的流動(dòng)可以通過(guò)達(dá)西定律進(jìn)行描述［9］，在x-y平面上可寫(xiě)成：

其中，總水頭μ可寫(xiě)成式（2）：

式中 μ為總水頭值；y為豎直高度；p為孔隙水壓力；γw為水的重度。

除此之外，還定義了一個(gè)孔隙水壓力水頭μp：

當(dāng)進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，其連續(xù)性方程為：

式中 kx，ky分別為土體x，y方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；t為試件參數(shù)；c為有效容量。

上式左端第三項(xiàng)中把水頭值的變化通過(guò)有效容量c和單元體內(nèi)含水率的變化聯(lián)系起來(lái)，與飽和土不同的是，非飽和土的有效容量c和非飽和土滲透系數(shù)的大小取決于土體中含水率和毛細(xì)力的大小。

有效容量c和滲透系數(shù)張量K的表達(dá)式為：

2 模型的建立及模型參數(shù)

某壩段庫(kù)岸在水庫(kù)蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型庫(kù)岸，產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此，開(kāi)展該段庫(kù)岸的治理十分必要。圖1為庫(kù)岸全貌圖。

圖1 庫(kù)岸全貌圖

對(duì)研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫(kù)岸的某個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，對(duì)坡面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，圖2為庫(kù)岸斷面結(jié)構(gòu)。

圖2 庫(kù)岸地質(zhì)剖面

圖2庫(kù)岸岸坡為塑性混凝土心墻壩體，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及規(guī)范［8］，對(duì)巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，如表1。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

利用Phase2有限元軟件，對(duì)不同降雨條件下的壩體進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。

3 降雨強(qiáng)度對(duì)壩體影響

通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)氐乃馁Y料調(diào)查，將降雨量設(shè)置為100，200，300，400mm/d， 分析4種不同降雨工況下的岸坡孔隙水壓力分布。圖3為孔隙水壓力分布圖。

圖3 不同降雨強(qiáng)度下壩體內(nèi)孔隙水壓力

從圖3中可以看出，降雨強(qiáng)度不同，壩坡孔隙水壓力有明顯區(qū)別。降雨強(qiáng)度從100mm/d增長(zhǎng)到300mm/d時(shí)，壩坡負(fù)孔隙水壓力一直減小。從圖3（c）和3（d）中可看出，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定時(shí)，壩坡孔隙水壓力幾乎不會(huì)發(fā)生變化，這是由于當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度時(shí)，土體的入滲能力不足以消耗所產(chǎn)生的降雨，沒(méi)有入滲到土體的那部分降雨將會(huì)在壩坡表面形成徑流，也就不會(huì)再產(chǎn)生水頭壓力。

不同降雨強(qiáng)度對(duì)壩坡的穩(wěn)定性也有一定影響。本文利用Phase2對(duì)壩坡進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減法分析其穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果，如表2。

表2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表3 降雨持續(xù)時(shí)間

表4 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表2中可看出，降雨強(qiáng)度越大，壩坡安全系數(shù)越小，單位時(shí)間內(nèi)降雨越多，壩坡負(fù)孔隙水壓力一直減小，壩坡越容易失穩(wěn)。

4 降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)壩體影響

研究降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響，從兩方面進(jìn)行分析。

4.1 降雨強(qiáng)度

降雨時(shí)間越長(zhǎng)，降雨量越大。

4.2 降雨量

降雨強(qiáng)度越大，降雨時(shí)間越短。降雨持續(xù)時(shí)間如表3。

假定降雨量800mm/d，在相同降雨量時(shí)，分析壩體的孔隙水壓力。圖4為不同降雨強(qiáng)度下壩坡孔隙水壓力分析圖。

圖4 相同降雨量下壩坡孔隙水壓力

從圖4中可看出，在降雨量一定時(shí)，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度越小時(shí)，降雨入滲時(shí)間越長(zhǎng)，在土體滲流中，基質(zhì)吸力會(huì)大面積減少。在降雨達(dá)到一定程度時(shí)，壩坡會(huì)形成徑流，負(fù)孔隙水壓力減小直至為零，基質(zhì)吸力也隨之消失。

當(dāng)降雨時(shí)間較短時(shí)，降雨強(qiáng)度很大時(shí)，降雨在坡表會(huì)形成徑流，而不會(huì)滲透到土體內(nèi)，坡體內(nèi)表層土體含水率會(huì)增加，而深層土體含水率幾乎沒(méi)有變化。因此，土體內(nèi)的含水率越大，土體的抗剪強(qiáng)度越低，坡體越容易發(fā)生失穩(wěn)滑移破壞。

本文利用有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)壩坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，求解壩坡的安全系數(shù)，如表4。

由表4看出，降雨量一定時(shí)，降雨強(qiáng)度越小，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，壩坡的安全系數(shù)越小，這是因?yàn)楫?dāng)降雨強(qiáng)度越大時(shí)，土體的滲透能力不足以滿(mǎn)足降雨速度，導(dǎo)致壩坡表面會(huì)形成地表徑流，只有壩坡表層土的抗剪強(qiáng)度降低，深層土的抗剪強(qiáng)度無(wú)明顯變化；當(dāng)降雨強(qiáng)度不大，但降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，土體滲透能力能夠滿(mǎn)足降雨速度，降雨大部分會(huì)滲透到土體中，會(huì)滲透到壩體的深層土體，導(dǎo)致壩體整體抗剪強(qiáng)度降低，坡體更容易發(fā)生失穩(wěn)。

5 降雨雨型對(duì)壩體的影響

在雨季來(lái)臨時(shí)，大多數(shù)情況下，降雨強(qiáng)度隨降雨大小發(fā)生變化，因此降雨量也時(shí)而大時(shí)而小，本節(jié)將研究雨型對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響。

假定降雨總量400mm，降雨時(shí)間為4h，最大降雨強(qiáng)度（峰值）100mm/h，最大降雨持續(xù)時(shí)間1h。圖5為降雨雨型示意圖。

圖5 降雨雨型示意圖

在圖5中，設(shè)計(jì)了4種雨型方式，分別為等強(qiáng)、單峰、雙峰、三峰，等強(qiáng)為1d中降雨強(qiáng)度是一樣的，單峰為1d中有1h降雨強(qiáng)度達(dá)到100mm/h，雙峰為1d中有2h降雨強(qiáng)度達(dá)到100mm/h，三峰為1d中有3h降雨強(qiáng)度達(dá)100mm/h。在降雨總量一定的情況下，降雨峰值強(qiáng)度持續(xù)的時(shí)間越多，其余時(shí)間降雨強(qiáng)度就越小。

針對(duì)不同雨型條件下的壩坡，利用有限元強(qiáng)度折減法，計(jì)算壩坡的安全系數(shù)。表5為安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表5 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

在降雨量和降雨持續(xù)時(shí)間一定的情況下，降雨強(qiáng)度峰值時(shí)間越長(zhǎng)，壩坡安全系數(shù)越大，這是由于峰值降雨強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，土體的滲透能力不足以滲透降雨，導(dǎo)致一部分降雨在坡表形成徑流，沒(méi)有滲透到壩體內(nèi)，對(duì)壩坡的滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性影響較小，而等強(qiáng)型的降雨形式，大部分降雨能夠滲透到土體中，導(dǎo)致壩體內(nèi)大部分土體的含水率降低，壩坡越容易發(fā)生滑移失穩(wěn)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）利用有限元Phase2軟件，對(duì)帶塑性混凝土心墻的壩體進(jìn)行分析，研究不同降雨條件下的壩坡滲流和穩(wěn)定性影響分析。

（2）降雨強(qiáng)度越大，壩坡負(fù)孔隙水壓力一直減小，壩坡安全系數(shù)越小，壩坡越容易失穩(wěn)。降雨量一定時(shí)，降雨強(qiáng)度與降雨時(shí)間為反相關(guān)的關(guān)系，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度越小，壩坡的安全系數(shù)越小。在降雨量一定時(shí)，降雨期間的峰值強(qiáng)度個(gè)數(shù)越多，坡體安全系數(shù)越大。

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