防滲墻對壩坡滲流和穩(wěn)定性的影響研究

吾斯曼·依明

（塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車844700）

許多研究及統(tǒng)計(jì)資料表明，影響庫岸邊坡穩(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影響邊坡內(nèi)的滲流場變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性[1-3]。為了確定浸潤面位置，眾多學(xué)者采用解析方法對其進(jìn)行了研究，目前多采用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行工程計(jì)算[4-5]。

對于覆蓋層較厚的壩體，采用混凝土防滲墻作為防滲體是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理方式。如何合理地選擇防滲墻的形式，以及對防滲墻應(yīng)力變形分析，是工程中亟需解決的問題[6-8]。

利用ABAQUS軟件，對帶混凝土防滲墻的壩體進(jìn)行滲流和應(yīng)力分析，并采用3種不同的判據(jù)（塑性區(qū)貫通、坡頂位移、計(jì)算不收斂），對下游壩坡在建立防滲墻前后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 基本滲流理論

地下水的流動可以通過達(dá)西定律進(jìn)行描述[9]，在x-y平面上可以寫成：

其中，總水頭 μ可以寫成下式：

式中：y——豎直高度，m；p——孔隙水壓力，Pa；γw——水的重度，N/m3。

除此之外，還定義了一個孔隙水壓力水頭μp：

當(dāng)進(jìn)行瞬態(tài)分析時，其連續(xù)性方程為：

式中：kx，ky——土體x，y方向的滲透系數(shù)，cm/s；Q——邊界流量，m3；t——試件參數(shù)。

上式中左端第三項(xiàng)中把水頭值的變化通過有效容量c和單元體內(nèi)含水率的變化聯(lián)系起來。和飽和土不同的是，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：

式中：c——非飽和土有效容量；csat——飽和土有效容量；μp——孔隙水壓力水頭；n——毛細(xì)管孔徑數(shù)量——毛細(xì)力值；K——滲系數(shù)張量；Krel(S)——飽和度相關(guān)性系數(shù)；Ksat——飽和土滲透系數(shù)。

2 模型的建立及模型參數(shù)

某壩段庫岸在水庫蓄水、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、剝蝕侵蝕型庫岸，產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此，開展該段庫岸的治理工作十分必要。

對研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫岸的某個典型斷面進(jìn)行分析，對坡面進(jìn)行適當(dāng)簡化，庫岸地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 庫岸地質(zhì)剖面圖

所研究的庫岸岸坡為帶混凝土防滲墻的壩體，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范[9]，對巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

利用ABAQUS有限元軟件，對帶混凝土防滲墻的壩體進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。

3 滲流和應(yīng)力分析

3.1 滲流分析

利用ABAQUS對建立防滲墻前后的壩坡進(jìn)行滲流分析，壩體孔壓示意圖見圖2。

圖2 壩體孔壓示意圖

從圖2中可以看出，壩體中建有混凝土防滲墻后，孔壓發(fā)生了明顯的變化。建立防滲墻前，壩體的浸潤線從上游坡面到下游坡面為一條直線，建立防滲墻后，壩體的浸潤線在防滲墻處發(fā)生了突變，壩體上游的孔壓幾乎沒有變化，浸潤線也沒有明顯變化，但壩體下游土體孔壓減小，浸潤線也相應(yīng)的降低。從孔壓示意圖中可以看出，建立防滲墻后下游壩體的浸潤線明顯降低，必然會對壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3.2 應(yīng)力分析

利用ABAQUS對建立防滲墻前后的壩坡進(jìn)行應(yīng)力分析，壩體豎向應(yīng)力分析見圖3。

圖3 壩體豎向應(yīng)力分析圖

從圖3中可以看出，建立防滲墻前，壩坡的豎向應(yīng)力幾乎為對稱分布，建立防滲墻后，上下游壩坡的豎向應(yīng)力有明顯差異，但總體應(yīng)力大小相差較小，最大應(yīng)力均在壩坡底部，對中部巖土體的應(yīng)力無明顯影響。

4 防滲墻對壩坡穩(wěn)定性的影響

利用有限元強(qiáng)度折減法分析壩坡穩(wěn)定性時，通過對巖土體的抗剪強(qiáng)度中的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，直至其坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，但這種極限狀態(tài)有很多種判定標(biāo)準(zhǔn)，例如塑性區(qū)是否貫通、計(jì)算時是否達(dá)到收斂狀態(tài)、滑體位移等，針對不同的坡體如果假定條件不同，其判定標(biāo)準(zhǔn)也不同。從上述防滲墻對壩坡的滲流和應(yīng)力分析可得知，防滲墻的建立主要對下游壩坡的滲流造成影響，因此該文將從塑性區(qū)貫通、坡頂位移和計(jì)算不收斂3個方面對正常蓄水時的下游壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

4.1 建立防滲墻前

建立防滲墻前，利用有限元強(qiáng)度折減法分析下游壩體的穩(wěn)定性。建立防滲墻前的下游壩體塑性區(qū)貫通分析、下游壩體坡頂位移分析、下游壩體計(jì)算不收斂時位移分析見圖4。

圖4 建立防滲墻前下游壩體分析示意圖

從圖4（a）中可以得知，塑性貫通區(qū)剪出口到達(dá)上游壩坡位置，整個貫通區(qū)域?yàn)榈湫偷膱A弧形滑面，壩體塑性貫通時安全系數(shù)為1.31；圖4（b）中可知，坡體安全系數(shù)為1.27時，坡體位移出現(xiàn)急劇變化，說明此時滑體到達(dá)屈服狀態(tài)，最終發(fā)生失穩(wěn)破壞時安全系數(shù)為1.32；圖4（c）中可知，滑帶為圓弧形滑面，坡腳位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)在，土體自身發(fā)生了變形，計(jì)算不收斂時下游壩體安全系數(shù)為1.32。

4.2 建立防滲墻后

建立防滲墻后，利用有限元強(qiáng)度折減法分析下游壩體的穩(wěn)定性。建立防滲墻后的下游壩體塑性區(qū)貫通分析、下游壩體坡頂位移分析、下游壩體計(jì)算收斂時位移分析分別見圖5。

圖5 建立防滲墻后下游壩體分析示范圖

從圖5（a）得知，壩體的塑性貫通未超過防滲墻，壩體在坡腳出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，沿著防滲墻發(fā)生滑移破壞，壩體塑性貫通時安全系數(shù)為1.44；從圖5（b）可知，坡體安全系數(shù)為1.43時，坡體位移出現(xiàn)急劇變化，說明此時滑體到達(dá)屈服狀態(tài)，最終發(fā)生失穩(wěn)破壞時安全系數(shù)為1.44；圖5（c）可知，滑帶為圓弧形滑面，坡腳位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)在，土體自身發(fā)生了變形。

4.3 安全系數(shù)比較

建防滲墻前后下游壩坡在3種不同的判據(jù)下的計(jì)算安全系數(shù)見表2。

表2 建防滲墻前后下游壩坡安全系數(shù)比較

壩體蓄水條件下，利用有限元強(qiáng)度折減法，采用3種不同的判據(jù)，對下游壩坡在建立防滲墻前后進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果見表2。3種判別計(jì)算得到的壩體安全系數(shù)相差較小，3種判別方法具有一致性，建立防滲墻后下游壩體的安全系數(shù)明顯增加，穩(wěn)定性明顯提高。這是由于建立防滲墻后，防滲墻對孔隙水壓力有抵擋作用，減少了大部分上游壩坡的孔隙水壓力傳遞到下游壩坡，因此壩體下游土體孔壓減小，下游壩坡的浸潤線明顯降低，而在水滲流的坡體中，浸潤線越低，壩體安全系數(shù)越高，浸潤線越高，坡體安全系數(shù)越低。建立防滲墻后，下游壩坡穩(wěn)定性明顯提高。

5 結(jié)論

利用有限元ABAQUS軟件，對帶混凝土防滲墻的壩體進(jìn)行分析，對建立防滲墻前后的壩坡進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性影響分析，得出如下結(jié)論。

1）建立防滲墻后，壩體的浸潤線在防滲墻處發(fā)生了突變，壩體上游的孔壓幾乎沒有變化，浸潤線也沒有明顯變化，但壩體下游土體孔壓減小，浸潤線也相應(yīng)的降低。建立防滲墻后，上下游壩坡的豎向應(yīng)力有明顯差異，但總體應(yīng)力大小相差較小，最大應(yīng)力均在壩坡底部，對中部巖土體的應(yīng)力無明顯影響。

2）采用3種不同的判據(jù)（塑性區(qū)貫通、坡頂位移、計(jì)算不收斂），對下游壩坡在建立防滲墻前后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，3種判據(jù)計(jì)算得到的壩體安全系數(shù)相差較小，建立防滲墻后下游壩體的穩(wěn)定性明顯提高。