洪水過(guò)程的菲律賓Kauswagan電站圍堤滲流及邊坡穩(wěn)定分析

張嵩云,毛 卉

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

洪水過(guò)程的水面漲落導(dǎo)致圍堤內(nèi)土體滲流狀態(tài)變化，導(dǎo)致土體含水量、空隙水壓增大、土體抗剪強(qiáng)度減小、靜態(tài)穩(wěn)定性降低，水面消落后，堤身土體內(nèi)含水量及超空隙水壓的消散并不同步，導(dǎo)致堤身穩(wěn)定性較靜態(tài)分析進(jìn)一步下降[1-3]，常規(guī)設(shè)計(jì)手段難以考慮。

本文以實(shí)際工程為例，采用有限元分析軟件GeoStudio[4]對(duì)菲律賓Kauswagan電站圍堤的洪水過(guò)程進(jìn)行滲流數(shù)值模擬，基于瞬態(tài)的滲流情況完成動(dòng)態(tài)過(guò)程的穩(wěn)定性分析；依據(jù)數(shù)值模擬得到的過(guò)程滲流情況及堤身穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，優(yōu)化堤身回填材料的選擇，驗(yàn)證洪水過(guò)程圍堤穩(wěn)定性。

1 工程概況

菲律賓Kauswagan電站位于河口地段，由于當(dāng)?shù)亟涤瓿渑媲覉?chǎng)地低洼，為節(jié)省廠平回填方量，采用圍堤結(jié)合強(qiáng)排的方式保障廠區(qū)不受洪水影響。廠區(qū)圍堤全長(zhǎng)2.69 km，其中東圍堤緊鄰Larapan河，長(zhǎng)約500 m，工程天然地面高程2～3 m，圍堤內(nèi)廠坪高程為4.10 m，東圍堤河段100 a一遇暴雨引發(fā)洪水位時(shí)，最大洪水位達(dá)4.73 m。地表土主要為夾砂粉質(zhì)黏土或粉細(xì)砂，下臥土層為多年層積的中密砂層夾粉質(zhì)黏土。圍堤平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 廠區(qū)圍堤平面布置

2 模型構(gòu)建

2.1 幾何模型

根據(jù)天然地形，東側(cè)圍堤設(shè)計(jì)斷面為堤頂高程5.00 m，堤頂寬5 m，設(shè)置3.7 m寬泥結(jié)碎石簡(jiǎn)易道路，河漫灘側(cè)清除堤腳處表層1～2 m天然土，設(shè)置頂高程2.5、5 m寬的拋石護(hù)底，堤身采用粉質(zhì)黏土分層碾壓填筑，堤身坡度為1:1，護(hù)面采用300 mm漿砌塊石護(hù)面，下設(shè)碎石墊層并鋪設(shè)反濾土工布，堤后廠坪回填高程為4.10 m，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建立幾何模型(圖2)。

圖2 東側(cè)圍堤幾何模型

2.2 典型土力學(xué)參數(shù)

選取工程地勘報(bào)告中的BH30孔作為典型斷面地質(zhì)條件，東圍堤所在的4區(qū)土層土力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 典型土力學(xué)參數(shù)

一般工程中不會(huì)要求對(duì)土體飽和滲透率及飽和含水率進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，不同土體的滲流指標(biāo)往往具有量級(jí)上的差異，同量級(jí)的數(shù)據(jù)差異往往對(duì)滲流計(jì)算結(jié)果影響不大，因此本工程的土體滲透率及飽和含水率按照土性類(lèi)似的原則，參照《水力工程設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》[5]推薦的相關(guān)參數(shù)選取。

2.3 滲流參數(shù)的估算

在滲流分析中，需要考慮滲透系數(shù)，但對(duì)于非飽和土，滲透系數(shù)并非一個(gè)定值，而是一個(gè)函數(shù)，需要用到土體的土水特征曲線，GEOSLOPE巖土軟件可提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。本文所用的土水特征曲線引用自程序內(nèi)嵌的經(jīng)驗(yàn)曲線，耦合得到不同基底吸力情況下的體積含水率；再運(yùn)用Van Genuchten法估計(jì)得到對(duì)應(yīng)不同基質(zhì)吸力的滲透系數(shù)曲線。土水特征曲線及滲透系數(shù)曲線見(jiàn)圖3、4。

土體含水量增大，基質(zhì)吸力減小、孔隙水壓力增大，土體抗剪強(qiáng)度減小，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。

圖3 基質(zhì)吸力與體積含水量關(guān)系曲線

圖4 基質(zhì)吸力與土滲透系數(shù)關(guān)系曲線

2.4 邊界條件的設(shè)定

模型的外形及荷載條件較為清晰，僅在圍堤頂?shù)缆穮^(qū)域考慮20 kNm2均載，對(duì)于洪水水位變化的設(shè)定，工程洪水評(píng)估報(bào)告中提供了1～24 h暴雨河口處流量的模擬時(shí)程數(shù)據(jù)(圖5)以及洪水過(guò)程中東圍堤區(qū)域的洪水最高水位(4.73 m)，但并未提供東圍堤臨近河段的洪水水位時(shí)程變化情況。

圖5 工程河段各持時(shí)暴雨流量時(shí)程曲線

考慮到洪水過(guò)程流量雖然與洪水位時(shí)程相關(guān)性較強(qiáng)，模型的洪水位時(shí)程變化根據(jù)暴雨流量時(shí)程曲線簡(jiǎn)化得到。通過(guò)分析暴雨流量時(shí)程曲線得知，由于影響工程的河流流域面積較小(約178 km2)，在各工況暴雨情況下，一般在降雨開(kāi)始后的1～12 h河水開(kāi)始上漲，并在6 h內(nèi)完成漲落過(guò)程，其中顯著的流量漲落過(guò)程在3 h左右。根據(jù)以上情況模型中以24 h為1次降雨洪水周期，取低水位-0.3 m為初始時(shí)刻水位條件，最高水位取4.73 m，降雨后9 h發(fā)生洪水上漲，水面漲落情況按余弦曲線內(nèi)插，水面3 h內(nèi)由-0.3 m上漲至最大洪水位4.73 m，再經(jīng)3 h消落至-0.3 m；同時(shí)，考慮工程地處熱帶海洋區(qū)域、雨季往往持續(xù)降雨的情況，模型同時(shí)考慮水位變化時(shí)程按24 h循環(huán)7 d的最不利情況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同堤身填筑材料的滲流穩(wěn)態(tài)分析

根據(jù)工程所在地的土料供應(yīng)情況，分別選用回填土、砂、塊石作為堤身填筑材料，對(duì)不同模型按堤外最大洪水位進(jìn)行滲流穩(wěn)態(tài)分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 黏土材料滲流比降云圖

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，堤身分別采用回填土、砂、塊石回填時(shí)，每延米堤身斷面滲流量分別為0.044 049、0.064 299、1.336 6 m3h，東圍堤的長(zhǎng)度約500 m，整體的滲流量分別為22、32、668 m3h。從整體滲流量來(lái)看，堤身采用回填土或砂時(shí)，最高洪水位時(shí)東圍堤的整體滲流量均小于50 m3h，均在廠區(qū)的雨洪水排澇系統(tǒng)處理能力之內(nèi)，采用塊石填筑時(shí)，須顯著提升排澇站的處理能力。

從堤內(nèi)角的滲流比降值看，回填土填筑時(shí)最大比降在0.8，滿足規(guī)范[6]計(jì)算得到的允許比降1.14的要求；但砂和塊石材料填筑時(shí)最大比降均達(dá)到1.2，均不滿足規(guī)范對(duì)于無(wú)黏性土滲流出口的允許水力比降要求，需要增設(shè)反濾層及黏土層進(jìn)行防滲反壓。

考慮到工程中東圍堤設(shè)計(jì)最大洪水位不大、穩(wěn)定堤身斷面較小，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)能方便地取到大量黏土，根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果，整個(gè)圍堤工程除了具備防浪功能的北圍堤以塊石填筑外，其余區(qū)域的圍堤均選用開(kāi)挖廠區(qū)灰場(chǎng)道路得到黏土分層碾壓填筑。

3.2 洪水過(guò)程的滲流瞬態(tài)及邊坡穩(wěn)定分析

基于最終選定的回填土堤身斷面，按設(shè)定的洪水水位時(shí)程變化進(jìn)行滲流瞬態(tài)及邊坡穩(wěn)定分析，初始條件(0 h，水位-0.3 m)計(jì)算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為2.390；在水位上漲初期，堤身穩(wěn)定略有下降，隨后隨水位上漲穩(wěn)定系數(shù)同步增長(zhǎng)，水位最高時(shí)穩(wěn)定系數(shù)最高達(dá)2.653；水位消落時(shí)，堤身穩(wěn)定系數(shù)下降，但下降幅度快于水位消落，單次洪水漲落過(guò)程中最不利情況發(fā)生在洪水由最高水位消落至2.25 m時(shí)刻(14 h)，此時(shí)的邊坡安全系數(shù)降低為2.027(圖7)，較初始時(shí)刻的穩(wěn)定系數(shù)下降15%，水位降至-0.3 m時(shí)(15 h)，穩(wěn)定系數(shù)比之前時(shí)刻略增至2.037；當(dāng)水位消落穩(wěn)定后邊坡安全系數(shù)緩慢增長(zhǎng)至2.056(24 h)。單次周期內(nèi)的水位及斷面穩(wěn)定系數(shù)的全過(guò)程情況見(jiàn)圖8。

圖7 單次水位循環(huán)下的最不利時(shí)刻堤身穩(wěn)定計(jì)算示意

圖8 單次計(jì)算周期內(nèi)各時(shí)刻水位及斷面穩(wěn)定系數(shù)

從單次計(jì)算周期(24 h)內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果看，土體空隙水壓的消散周期明顯長(zhǎng)于計(jì)算周期，為了分析空隙水壓的大致消散時(shí)間及水位反復(fù)消落情況下的堤身穩(wěn)定系數(shù)極值情況，針對(duì)單次計(jì)算周期的堤身最不穩(wěn)定時(shí)刻為14 h的特點(diǎn)，將單次洪水漲落后延至168 h的情況及7次洪水漲落(7×24 h)的情況，分別進(jìn)行滲流-穩(wěn)定耦合計(jì)算。

對(duì)于延長(zhǎng)至168 h的單次洪水過(guò)程情況，計(jì)算結(jié)果反映7 d后堤身斷面穩(wěn)定系數(shù)由最低的2.034增長(zhǎng)至2.243，由相當(dāng)于初始狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)2.39的85%提高至94%，但5 d(134 h)后增長(zhǎng)速度放緩，根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢(shì)，可初步判斷模型中堤身土體的超孔隙水壓自然消散過(guò)程超過(guò)10 d。單次周期延長(zhǎng)至168 h的斷面穩(wěn)定系數(shù)的全過(guò)程情況見(jiàn)圖9。

圖9 單次洪水漲落計(jì)算后延至168 h內(nèi)各時(shí)刻水位及斷面穩(wěn)定系數(shù)

對(duì)于7次重復(fù)洪水漲落(7×24 h)過(guò)程的時(shí)程分析情況，計(jì)算結(jié)果反映堤身最低穩(wěn)定系數(shù)由第1次過(guò)程的2.027(初始狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)2.39的85%)逐次降低至1.93(初始狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)2.39的81%)，但第4次(86 h)后下降速度放緩，趨近極限低值。7次重復(fù)洪水漲落(7×24 h)過(guò)程的斷面穩(wěn)定系數(shù)的全過(guò)程情況見(jiàn)圖10。

圖10 7次重復(fù)洪水漲落(7×24 h)過(guò)程的最低斷面穩(wěn)定系數(shù)

對(duì)以上全過(guò)程的瞬態(tài)滲流-穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知：

1)水面上漲時(shí)，堤身土體由不飽和狀態(tài)逐步至飽和狀態(tài)，土體空隙水壓上升，土體抗剪能力下降，總抗力降低，但由于整體水頭的抬高，同步降低總滑動(dòng)力。因此，漲水初期堤身斷面穩(wěn)定，僅略有降低(最大降低6.4%)；同時(shí)，隨著水位的增長(zhǎng)，堤身斷面穩(wěn)定系數(shù)增加。

2)水位消落時(shí)，堤外整體水頭同步下降，總滑動(dòng)力恢復(fù)至初始時(shí)刻，但土體空隙水壓的消散不同步，總抗力恢復(fù)不明顯。堤身穩(wěn)定系數(shù)在水位下降至2.25 m時(shí)(14 h)達(dá)到最低2.027，較初始時(shí)刻的穩(wěn)定系數(shù)2.39下降15%，若考慮多次重復(fù)洪水過(guò)程，過(guò)程中堤身最低穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)一步下降至1.93(相當(dāng)于初始時(shí)刻穩(wěn)定系數(shù)的81%)，均滿足技術(shù)文件中土坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.5的要求。

3)由于土體超孔隙水壓的消散時(shí)間明顯長(zhǎng)于水位漲落時(shí)間，單次洪水過(guò)程后堤身斷面穩(wěn)定系數(shù)須于10 d才能趨近初始時(shí)刻的堤身穩(wěn)定指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在洪水位不大的情況下，圍堤堤身直接采用黏性土分層碾壓回填，不僅能夠形成合理的穩(wěn)定堤身斷面，兼顧堤身防滲要求，相對(duì)于砂石材料，還能簡(jiǎn)化施工環(huán)節(jié)，就地取材，節(jié)約工程造價(jià)。

2)對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段無(wú)法考慮的水位變化過(guò)程對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響問(wèn)題，可以通過(guò)有限元軟件進(jìn)行瞬態(tài)滲流-邊坡穩(wěn)定的耦合分析得到準(zhǔn)確的影響值。

3)由于土體孔隙水壓的消散過(guò)程較長(zhǎng)，洪水水位變化將導(dǎo)致堤身穩(wěn)定顯著下降，本文算例中下降幅度達(dá)15%～20%。

4)本文所示洪水?dāng)?shù)據(jù)具有河流流域較小、洪水漲落迅速的特點(diǎn)，僅符合熱帶地區(qū)小流域河流雨季的洪水特征。