不同排水方案下均質(zhì)土壩滲流及壩坡穩(wěn)定性有限元仿真

張 寅 寅

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000)

0 引 言

土壩因其具有可就地取材及對(duì)壩基工程地質(zhì)條件要求低等優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)際中為一種被普遍使用的壩型。在土壩研究中，土壩的安全一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，而滲流是威脅土壩安全的主要因素之一，因此土壩的滲流問題越來越引起人們的關(guān)注[1]。1993年青海溝后水庫失事事件就是由于大壩排水不暢，致使浸潤(rùn)線很高，壩頂幾乎完全飽和，導(dǎo)致最后土壩失穩(wěn)破壞[2,3]。因此有必要針對(duì)不同排水設(shè)計(jì)在不同典型工況的運(yùn)行進(jìn)行壩體滲流穩(wěn)定分析，以便為水庫大壩滲流與排水設(shè)計(jì)提供參考。

本文以甘肅靈臺(tái)縣新集水庫為研究對(duì)象，初選壩后貼坡式、壩體內(nèi)豎式和壩后棱體三種排水形式。其中，貼坡式排水投資較低，施工簡(jiǎn)單，易于檢修，但壩體大部分處于飽和濕潤(rùn)狀態(tài)，不利于大壩安全；根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，豎式排水能有效降低浸潤(rùn)線，尤其適用于因土體分層碾壓形成的局部水平滲水通道，但施工難度相對(duì)較大，檢修較困難；棱體排水能有效降低浸潤(rùn)線，適用面較廣，但需要級(jí)配砂礫石和塊石較多，投資相應(yīng)較高。因此，本文選擇土壩運(yùn)行的不同典型工況，對(duì)三種排水方案進(jìn)行有限元仿真，對(duì)大壩滲流、滲透及壩坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算與分析研究，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮提出了建議的排水形式。

1 工程概況

新集水庫位于甘肅省靈臺(tái)縣達(dá)溪河干流，壩址距縣城約26 km，總庫容3 218 萬m3，為中型Ⅲ等水庫工程，大壩等主要建筑物為3級(jí)。攔河大壩為混凝土重力壩泄洪與均質(zhì)土壩擋水相結(jié)合的混合壩型。大壩校核洪水位為1 066.30 m，設(shè)計(jì)洪水位與正常蓄水位均為1 065.10 m。壩頂高程1 068.50 m，壩基置于弱風(fēng)化巖體上部，最大壩高39.5 m，壩頂總長(zhǎng)758 m，其中均質(zhì)土壩段長(zhǎng)515 m，壩頂寬8 m，壩體上游壩坡自上而下分別為1∶3.0、1∶3.5，采用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)面，下鋪0.8 m厚砂礫石墊層，下游壩坡自上而下分別為1∶2.75、1∶3.0，采用混凝土網(wǎng)格草皮護(hù)坡。

工程區(qū)土料分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，本著“因地制宜、就地取材”的筑壩材料選擇基本原則[4]，515 m長(zhǎng)的擋水壩段采用當(dāng)?shù)厝劳林巍误w土料總填筑量約249 萬m3，根據(jù)室內(nèi)土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果，土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)參數(shù)(見表1)與質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定，符合筑壩要求。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》壩體排水形式選擇的相關(guān)規(guī)定及《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]第6卷土石壩1.6.8章節(jié)關(guān)于壩體排水的論述，結(jié)合本工程壩體下游水位較高和填筑材料的滲透特性，綜合考慮采用壩后貼坡式、壩體內(nèi)豎式和壩后棱體等三種排水形式。除壩體壤土外的其余材料參數(shù)均參考《設(shè)計(jì)手冊(cè)》，具體取值詳見表1。

表1 模型材料分區(qū)特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of material in different zones of earth dam

2 分析理論、模型及工況

2.1 分析理論及方法

滲流場(chǎng)計(jì)算分析考慮二維穩(wěn)定滲流問題，故在考慮定解條件時(shí)，只需要考慮第一類和第二類邊界條件。

第一類邊界條件(水頭邊界條件)為：

h(x,y)|Γ1=f(x,y)

式中：Γ1為第一類邊界；h為水頭函數(shù)；f(x,y)為已知水頭。

第二類邊界條件(流量邊界條件)為：

考慮到各向異性時(shí)，可以寫為：

式中：Γ2為第二類邊界；n為Γ2的外法線方向；q0為已知流量。

滲流場(chǎng)由上式所確定的二維滲流場(chǎng)模型進(jìn)行模擬。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用剛體極限平衡法。對(duì)于均質(zhì)壩，宜采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法。該法計(jì)算簡(jiǎn)單，精確度和準(zhǔn)確度滿足工程要求，是當(dāng)前水利工程穩(wěn)定性計(jì)算最常用的方法。因此本工程壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法。

2.2 模型及工況

選取土壩段大壩最高斷面作為本次研究的典型剖面，分別建立三種排水形式的二維有限元模型，如圖1所示。模型上下游長(zhǎng)度取約2倍壩高，基礎(chǔ)深度自建基面向下取1倍壩高，模型包括影響計(jì)算域滲流場(chǎng)的主要邊界范圍[6]。邊界條件設(shè)定基礎(chǔ)底部和模型上下游邊界均為不透水邊界；水位以下河床均視為已知水頭邊界；位于河床以上地表均按可按逸出面處理，但實(shí)際逸出面通過分析經(jīng)迭代確定。模型材料分區(qū)特性參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)得到，具體如表1所列。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算考慮Ⅰ～Ⅲ共3種最不利工況，各工況相應(yīng)水位如表2所列。

表2 模型工況Tab.2 Typical unfavorable working conditions of model

圖1 均質(zhì)土壩二維有限元模型網(wǎng)格Fig.1 Grid of two-dimensional finite element model of homogeneous earth dam

3 滲流分析研究

3.1 滲流場(chǎng)

經(jīng)有限元仿真計(jì)算研究，大壩壩體典型浸潤(rùn)線及等勢(shì)線如圖2所示。

大壩滲流場(chǎng)有限元仿真分析研究結(jié)論：①棱體和豎式兩種排水方案下游浸潤(rùn)線基本水平，表明均對(duì)壩體浸潤(rùn)線跌落的作用明顯，排滲效果較好；貼坡排水方案排滲效果相對(duì)較差。②豎式排水形式滲流等勢(shì)線分布更為密集，表明壩體滲流流速相對(duì)較大，對(duì)壩體內(nèi)部滲透穩(wěn)定不利。

3.2 滲流量

選取壩基帷幕中線所在斷面為截面，對(duì)不同工況滲流量進(jìn)行仿真計(jì)算研究。工況I及工況II滲流量統(tǒng)計(jì)如表3所列，工況III水位下降過程滲流量過程如圖3所示。

圖2 大壩壩體典型浸潤(rùn)線及等勢(shì)線Fig.2 Typical phreatic lines and isopotential lines of the dam body

表3 工況Ⅰ及工況Ⅱ滲流量統(tǒng)計(jì) m3/(d·m)

有限元仿真分析研究表明：豎式排水滲流量最大，效果最佳；棱體排水滲流量次之，效果尚可；貼坡排水滲流量最小，效果相對(duì)較差。工況II上下游水位差大于工況I，其滲透流量大于工況Ⅰ。

3.3 滲透坡降

分別對(duì)工況Ⅰ及工況Ⅱ大壩壩體滲透坡降進(jìn)行有限元仿真分析研究，兩種工況滲透坡降分布云如圖4所示。

圖4 工況Ⅰ及工況Ⅱ滲透坡降分布云Fig.4 Infiltration gradient distribution under working condition Ⅰ and Ⅱ

大壩滲透坡降有限元仿真分析研究結(jié)論：由圖4可知：①工況Ⅰ與工況Ⅱ滲透坡降分布總體相近，但工況II量值稍大于工況Ⅰ。②工況Ⅱ豎式排水方案上游壩體滲透坡降較大，數(shù)值為0.6～0.8；棱體排水和貼坡排水方案滲透坡降較小，數(shù)值為0.3～0.6；三種排水方案滲透坡降的最大值均出現(xiàn)在壩內(nèi)部壩基處，均小于壤土允許滲透坡降值4～5[7]，不會(huì)產(chǎn)生管涌及流土等滲透破壞。滲透計(jì)算分析結(jié)論與牛文杰等人針對(duì)不透水地基上均質(zhì)土壩滲流自由面的有限元計(jì)算的結(jié)論一致[8]。

4 壩坡穩(wěn)定分析研究

4.1 校核及正常蓄水位工況

大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全有限元仿真計(jì)算方法參考《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析-原理.方法.程序》[9]，壩坡抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算成果如表4所列，典型壩坡滑動(dòng)面如圖5所示。

大壩校核及正常蓄水位工況有限元仿真分析研究結(jié)論：①大壩壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范允許值，且上游壩坡富余量較大。②豎式排水壩坡安全系數(shù)最大，穩(wěn)定性最好，棱體排水次之，貼坡排水安全系數(shù)相對(duì)較低。

表4 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Tab.4 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

4.2 庫水位降落工況

各排水方案庫水位降落期大壩上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化過程如圖6所示。

圖5 大壩壩坡典型滑動(dòng)面Fig.5 Typical sliding surface of dam slope

圖6 工況Ⅲ大壩上游壩坡最小安全系數(shù)過程Fig.6 Minimum safety factor process of dam upstream dam slope under working condition Ⅲ

有限元仿真分析研究結(jié)論：①隨庫水位降落，各排水方案上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)先行一定幅度增加，然后快速減小至最小安全系數(shù)，之后隨壩內(nèi)滲流場(chǎng)的緩慢調(diào)整，出現(xiàn)小幅穩(wěn)定增長(zhǎng)。②庫水位降落期間，各排水方案上游壩坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。③豎式排水方案上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均值及最小值相對(duì)最大；棱體排水其次；貼坡排水最小。其中，庫水位降落的趨勢(shì)和規(guī)律與安民等人針對(duì)庫水位升降對(duì)均質(zhì)土壩壩坡穩(wěn)定影響[10]及張偉民等針對(duì)土壩在水庫水位下降期的滑坡機(jī)理[11]的結(jié)論一致。

5 豎式排水方案失效分析

分析研究表明，豎式排水降低浸潤(rùn)線效果明顯，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)較高，但施工難度大，質(zhì)量不易保證，運(yùn)行期一旦排水體失效，易造成壩體內(nèi)部缺陷，且檢修非常困難。因此，通過豎式排水的特性參數(shù)敏感性分析，研究部分失效或完全失效對(duì)大壩滲流及壩坡穩(wěn)定的影響。

5.1 特性參數(shù)設(shè)定

通過降低豎式排水區(qū)的滲透系數(shù)，分析研究部分失效和全部失效對(duì)大壩滲流及壩坡穩(wěn)定的影響，參數(shù)設(shè)置如表5所列。

5.2 分析研究

分別對(duì)4種情況進(jìn)行典型斷面二維有限元仿真滲流與穩(wěn)定性分析研究，大壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表6所列。

有限元仿真分析研究結(jié)論：①隨豎直排水區(qū)滲透系數(shù)降低，壩體浸潤(rùn)線逐漸抬高，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低。②當(dāng)豎式排水部分失效時(shí)，正常蓄水位壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由3.713及1.883分別降低至3.618和1.772，穩(wěn)定性較棱體排水方案差。③當(dāng)豎式排水完全失效時(shí)，正常蓄水位壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由3.713及1.883分別降低至3.538和1.735，穩(wěn)定安全性均低于棱體排水方案。④綜合分析，若運(yùn)行期豎式排水體部分失效或完全失效，則壩體浸潤(rùn)線將產(chǎn)生較大抬升，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可能低于棱體排水方案。

表5 豎式排水區(qū)滲透參數(shù)設(shè)置Tab.5 Infiltration parameter of well drainage within the dam

表6 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Tab.6 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

6 結(jié) 論

(1)從有限元仿真計(jì)算成果分析，三種型式排水措施均有效，壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但排水效果、壩坡安全系數(shù)均有一定差別。從壩坡穩(wěn)定方面比較，各種工況下，豎式排水安全系數(shù)均最大(如工況II下，上游壩坡3.713、下游壩坡1.883)，棱體排水次之(3.662、1.825)，貼坡排水最小(3.445、1.727)。從滲流方面比較，各種工況下，豎式排水對(duì)壩體浸潤(rùn)線跌落作用最明顯，滲流量最大[工況Ⅱ下0.288 9 m3/(d·m)]，滲透坡降最陡(工況Ⅱ下數(shù)值0.6～0.8)，排水效果最佳；棱體排水效果次之[滲流量0.259 8 m3/(d·m)、滲透坡降0.3～0.6]；貼坡排水相對(duì)較差[滲流量0.210 8 m3/(d·m)、滲透坡降0.3～0.6]。

(2)分析結(jié)果表明豎式排水最能有效降低浸潤(rùn)線，壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)最大，排水效果最佳；在施工質(zhì)量有保障的情況下，可優(yōu)先選擇豎式排水型式。但從豎式排水體部分失效或完全失效后情況分析，排水體失效后，壩體浸潤(rùn)線將出現(xiàn)較大抬升，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可能出現(xiàn)低于棱體排水方案的情況(部分失效后降為3.618和1.772，完全失效后降為3.538和1.735)?？紤]到中、大型水庫，大壩的長(zhǎng)期安全運(yùn)行可靠性，不建議推薦豎式排水。

(3)相對(duì)于豎式排水和棱體排水，貼坡排水滲流及壩坡穩(wěn)定均較差。但施工簡(jiǎn)單，投資較低，且易于檢修。工程實(shí)踐中，在低壩上采用較多。

(4)新集水庫總庫容3218 萬m3，壩高39.5m，為中型Ⅲ等水庫工程，大壩安全和壩體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期可靠為重中之重，同時(shí)要考慮運(yùn)行期易于檢修、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理等多種因素。依據(jù)本次有限元仿真計(jì)算分析成果，遵照規(guī)范相關(guān)規(guī)定，并參考國內(nèi)類似工程實(shí)例，對(duì)三種排水方案進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明棱體排水方案滲流穩(wěn)定和壩體安全穩(wěn)定性相對(duì)較高，排水效果相對(duì)較好，其長(zhǎng)期安全運(yùn)行可靠性高，施工相對(duì)容易。因此，最終確定新集水庫均質(zhì)土壩排水采用棱體排水方案。本文研究結(jié)果可為中小規(guī)模水庫均質(zhì)土壩滲流與排水設(shè)計(jì)提供良好借鑒。

□