雨水滲入對(duì)土石壩邊坡穩(wěn)定性影響分析

史建峰，鵬遠(yuǎn)群

（1.山西路橋第一工程有限責(zé)任公司 山西 太原 030000；2.太原科技大學(xué) 山西 太原 030024）

0 引言

土石壩作為工程建設(shè)中一種典型壩型，由于滲流問(wèn)題使得壩體安全性能下降［1-3］。降雨作為影響土石壩邊坡穩(wěn)定性重要影響因素，使得壩體邊坡孔隙水壓和滲流場(chǎng)發(fā)生變化，出現(xiàn)失穩(wěn)［4-6］。目前針對(duì)降雨條件下土石壩邊坡的研究中更多的是基于飽和-非飽和滲流問(wèn)題下的邊坡穩(wěn)定性分析，如運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理來(lái)表征降雨量和土石壩滑坡間的關(guān)聯(lián)性規(guī)律，從降雨入滲誘發(fā)滑坡機(jī)理角度出發(fā)，通過(guò)建立雨水滲入后的土坡體內(nèi)水-土力學(xué)和物理化學(xué)反應(yīng)，研究邊坡的穩(wěn)定性［7-9］。在分析降雨和滑坡的內(nèi)在聯(lián)系基礎(chǔ)上，尋找合理的降雨型滑坡預(yù)測(cè)和防治方法［10-13］，王一漢［14］等通過(guò)有限元法模擬瞬態(tài)滲流過(guò)程，獲得了強(qiáng)降雨環(huán)境下邊坡基質(zhì)吸引力對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響，郭偉［15］等發(fā)展了應(yīng)力和兩相流耦合理論，考慮降雨條件下的土質(zhì)邊坡淺層破壞狀況，并給出了降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間以及土體飽和滲透系數(shù)下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性影響作用。本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以某一土石壩滑坡體為例，利用SLOP／W軟件建立三維優(yōu)先模型，獲得不同降雨條件下的土石壩穩(wěn)定性的影響分析。

1 模型構(gòu)建

1.1 工程背景

該工程坐落于湖北省宜昌市東北部，荊江右岸一級(jí)支流濱江中游，壩址以上控制流域68.4 km2，水庫(kù)庫(kù)容7 937萬(wàn)m3，正常高水位49.35 m，設(shè)計(jì)洪水位50.16 m。水庫(kù)樞紐由主壩、副壩、溢洪壩、壩下涵管組成，主要采用均質(zhì)壩，壩頂高53.2 m，長(zhǎng)724 m，壩頂寬5.0 m，最大壩高26 m，副壩采用均質(zhì)土壩，壩頂長(zhǎng)50 m，壩高16 m，溢洪道采用開(kāi)敞式自由泄洪溢流設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)860.2 m，一期工程高程47.04 m，二期工程在寬頂堰上增設(shè)1.5 m高實(shí)用堰，水庫(kù)灌溉涵管采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管長(zhǎng)63.52 m，地板高程37.35 m，管斷面寬×高為2.2 m×2.2 m。本文主要對(duì)帶塑性混凝土心墻壩體進(jìn)行分析，如圖1所示為大壩斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

通過(guò)對(duì)大壩土體進(jìn)行實(shí)地取樣，并對(duì)土樣密度、含水率等進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，獲得大壩不同分區(qū)材料性能參數(shù)見(jiàn)表1所示。

圖1 大壩斷面結(jié)構(gòu)圖 （單位：m）Figure 1 Structural diagram of dam section（Unit：m）

表1 大壩各分區(qū)材料參數(shù)表Table 1 Material parameters table for each zone of the dam

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)大壩實(shí)際形態(tài)來(lái)選定合適的計(jì)算斷面和區(qū)域，將上述模型導(dǎo)入GEOSTUDIO軟件中的SEEP／W模塊，輸入材料參數(shù)，進(jìn)行模型的滲流分析，計(jì)算壩體孔隙水壓力，并將滲流自由面導(dǎo)入SLOP／W模塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析。選擇MODSODE進(jìn)行模型的單元網(wǎng)格劃分，如圖2所示為網(wǎng)格劃分的模型結(jié)構(gòu)。

圖2 模型的有限元網(wǎng)格劃分Figure 2 Finite element mesh generation of model

土石壩滲流穩(wěn)定分析主要是針對(duì)土體飽和度、含水率、孔隙水壓力等參數(shù)的飽和-非飽和問(wèn)題進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于土體初始孔隙水壓力、含水量等難以預(yù)測(cè)，為便于計(jì)算，根據(jù)已有壩體的水位，計(jì)算大壩穩(wěn)態(tài)滲流下的滲流場(chǎng)來(lái)確定初始?jí)毫λw分布，如圖3為獲得的壩體初始穩(wěn)定滲透情況，將他作為模型的初始邊界條件，施加在導(dǎo)入的SEEP／W模塊進(jìn)行分析計(jì)算。

圖3 模型的初始?jí)毫λ^分布Figure 3 Iinitial pressure head distribution of the model

2 分析與討論

2.1 降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡影響

根據(jù)土石壩所在地區(qū)的水文記錄數(shù)據(jù)，選取50、100、150、200 mm／d這4種降雨，通過(guò)有限元軟件模擬1 d時(shí)間段內(nèi)4種降雨的工況并分析計(jì)算，獲得壩坡暫態(tài)滲流場(chǎng)孔隙水壓力分布，如圖4為4種降雨強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的24 h暫態(tài)滲流場(chǎng)分布?？梢钥闯觯煌涤陱?qiáng)度下的壩坡表層土負(fù)孔隙水壓表現(xiàn)出較大的差異性。隨著降雨強(qiáng)度的不斷增大，壩坡淺層負(fù)孔隙水壓力表現(xiàn)出一個(gè)逐步下降的趨勢(shì)。降雨強(qiáng)度較大時(shí)，壩坡土體呈現(xiàn)出一個(gè)暫態(tài)飽和狀態(tài)，當(dāng)降雨量持續(xù)增大，壩坡土體的孔隙水壓力也不會(huì)發(fā)生較大的改變。這是由于當(dāng)降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土體入滲能力時(shí)，部分雨水在壩坡坡面形成徑流，坡面表面不存在積水，因而滲水頭壓力不會(huì)持續(xù)性的增長(zhǎng)。同時(shí)，可以看出，在不同降水量下，壩坡頂部存在的非飽和區(qū)較坡腳大，且具有更高的淺層土體負(fù)孔隙水壓力，這是由于壩坡頂部淺層土具有更高的滲透能力，因而可知，降雨強(qiáng)度對(duì)坡腳處負(fù)孔隙水壓力影響大于坡頂。

圖4 不同降雨強(qiáng)度的土壩坡負(fù)孔隙水壓力圖Figure 4 Negative pore water pressure diagram of earth dam slope with different rainfall intensity

采用Slop／W分析4種降雨強(qiáng)度下土石壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)，如圖5為不同降雨強(qiáng)度下24 h后的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)?？梢钥闯觯涤陼r(shí)間相同時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著降雨強(qiáng)度的增大而不斷減小，對(duì)壩坡穩(wěn)定性越不利。

圖5 不同降雨強(qiáng)度的土壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)Figure 5 Safety and stability coefficients of soil dam slopes with different rainfall intensities

2.2 降雨持續(xù)時(shí)間的影響

本文分析降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)土石壩的影響作用，主要考慮如下兩類情況：降雨總量相同，隨著降雨強(qiáng)度增大，降雨時(shí)間較少；降雨強(qiáng)度不變，隨著降雨時(shí)間的延續(xù)降雨量逐漸增大。如表2為降雨時(shí)間設(shè)計(jì)表。

表2 降雨時(shí)間設(shè)計(jì)方案Table 2 Rainfall time design scheme

圖6為降雨強(qiáng)度小、降雨時(shí)間長(zhǎng)向著降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短的變化趨勢(shì)下，土石壩坡負(fù)孔隙水壓力分布云圖。可以看出，當(dāng)降雨總量一定時(shí)，降雨強(qiáng)度小、降雨時(shí)間長(zhǎng)對(duì)壩坡的負(fù)孔隙水壓力影響更大、由于雨水入滲時(shí)間長(zhǎng)，濕峰影響深度大，導(dǎo)致基質(zhì)吸力出現(xiàn)大范圍下降。從壩坡淺土壤來(lái)看，降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短的土壩體負(fù)孔隙水壓力下降較多，且在一定程度下形成了暫態(tài)飽和區(qū)，負(fù)孔隙水壓力到零，整體基質(zhì)吸力消失。但降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短時(shí)，對(duì)非飽和區(qū)的影響范圍相對(duì)較小，因此，可以判斷降雨強(qiáng)度小、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)作用下土壩坡的穩(wěn)定性更低。這主要是由于在降雨總量一定條件下，邊坡土體較小的滲透系數(shù)，當(dāng)降雨強(qiáng)度大時(shí)，多數(shù)的雨水將形成徑流流失［16］，而不會(huì)通過(guò)地表滲入坡體內(nèi)部，除了淺層土壤的基質(zhì)吸減能力存在一定幅度的下降外，土壩坡體內(nèi)部基質(zhì)的吸力并未發(fā)生較大的改變。當(dāng)降雨強(qiáng)度小、降雨時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，大部分雨水均通過(guò)表層土壤滲入到坡體內(nèi)部，非飽和區(qū)含水量影響面積增大，基質(zhì)吸引力下降，導(dǎo)致土壩坡體的穩(wěn)定性下降。

2.3 降雨雨型的影響

為分析降雨雨型對(duì)入滲影響，設(shè)定降雨總量為400 mm，降雨持續(xù)時(shí)間24 h，降雨峰值100 mm／d，持續(xù)時(shí)間1 h，并在初始條件為最大負(fù)孔隙水壓力-100 kPa下的4種雨型對(duì)壩坡穩(wěn)定性影響，如圖7為3種雨型變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)降雨總量一定時(shí)，隨著降雨峰值數(shù)量的增加，峰間降雨強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)降雨總量400 mm，降雨持續(xù)時(shí)間24 h，峰值降雨持續(xù)時(shí)間1 h下的降雨強(qiáng)度達(dá)到了100 mm／h，遠(yuǎn)大于土體飽和滲透系數(shù)下的最大入滲量2.35 mm／h，超過(guò)的降雨量將以徑流形式流走。因此，當(dāng)降雨總量和降雨持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，三峰型較一峰型降雨對(duì)壩坡滲流場(chǎng)的影響作用要大于等強(qiáng)型和單峰型降雨。這是因?yàn)榈葟?qiáng)型和單峰型降雨所具有的峰值降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壩坡土壤的入滲能力，使得壩坡面的雨水以徑流形式流走，因此對(duì)壩坡安全系數(shù)和滲流場(chǎng)的影響作用就相對(duì)較小。當(dāng)降雨峰值較多時(shí)，峰間降雨強(qiáng)度與土壤的入滲能力較為接近，大部分降雨均滲入到壩體內(nèi)部，壩體孔隙水壓力不斷增大，導(dǎo)致土壤吸力出現(xiàn)下降，不穩(wěn)定性增加［17］。

圖6 不同持續(xù)時(shí)長(zhǎng)下的壩體孔隙水壓力分布云圖Figure 6 Cloud image of pore water pressure distribution of dam body under different duration

圖7 不同降雨雨型的選擇Figure 7 Selection of different rainfall patterns

2.4 前期降雨的影響

考慮當(dāng)前期降雨量不同時(shí)，后期降雨結(jié)束后對(duì)壩坡的影響作用。本文確定2種方案：①前期降雨量50 mm，后期降雨量120 mm。②前期降雨量120 mm，后期降雨量50 mm。2個(gè)方案的降雨時(shí)間均為1 d。設(shè)定前、后期降雨時(shí)間間隔為1、2、5、10、20 d。設(shè)定最大負(fù)孔隙水壓力-100 kPa，獲得2種方案下的土壩安全系數(shù)，如圖8所示。

圖8 不同前降雨間隔天數(shù)對(duì)土壩坡的安全系數(shù)影響Figure 8 Influence of rainfall interval days on safety factor of earth dam slope before different periods

由于前期降雨量作為后期降雨的初始條件，因此，前期降雨量不同將導(dǎo)致后期降雨初始?jí)纹峦寥篮孔兓?，因而使得土壤基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)發(fā)生改變，最終造成壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)發(fā)生改變。從圖8中可以看出，前后兩次降雨間隔時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)具有較大的影響，且穩(wěn)定安全系數(shù)隨著前后間隔時(shí)間的縮短而表現(xiàn)出逐步下降趨勢(shì)，壩坡的穩(wěn)定性不斷下降。當(dāng)降雨總量一定時(shí)，方案1對(duì)壩體影響更大，即前期降雨量小而后期降雨量多時(shí)，壩體安全系數(shù)下降，當(dāng)前后期降雨時(shí)間間隔在5～20 d時(shí)，安全系數(shù)略有下降，降雨時(shí)間間隔超過(guò)20 d后，隨著時(shí)間間隔的增大，壩體的安全系數(shù)不斷增大。當(dāng)兩次降雨間隔時(shí)間較短時(shí)，前期降雨較大時(shí)壩體穩(wěn)定安全系數(shù)變化幅度更大，當(dāng)兩次降雨間隔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)主要受后期降雨量影響。

3 結(jié)語(yǔ)

以某一土壩坡工程實(shí)例為研究對(duì)象，通過(guò)SLOP／W有限元軟件分析了降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間、降雨雨型和前期降雨條件下土壩坡內(nèi)暫態(tài)孔隙水壓力分布，得到壩體在不同工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)，獲得的主要結(jié)論有：

a.降雨量相同時(shí)，降雨強(qiáng)度小、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，雨水滲入坡體內(nèi)部，超過(guò)土壤入滲能力時(shí)，壩坡基質(zhì)吸力下降，壩坡的安全穩(wěn)定性降低；降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短時(shí)，雨水以徑流方式流失，土壩坡體內(nèi)部基質(zhì)的吸力變化較小。

b.降雨總量一定時(shí)，降雨峰值數(shù)量越多，峰間降雨強(qiáng)度小，壩坡抗滑穩(wěn)定性越低。前期降雨和后期降雨間隔時(shí)間增大，壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)呈先減小后增大變化形式，當(dāng)時(shí)間間隔很大時(shí)，前期降雨影響有限。