庫(kù)水升降對(duì)新疆阿勒泰地區(qū)某土石壩滲流影響的研究

宋興亮

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

土石壩是一種以當(dāng)?shù)赝潦旌狭蠟橹饕尾牧系拇髩危捎谌〔姆奖?、造價(jià)低廉的優(yōu)勢(shì)，世界各地都修筑有各種高度的土石壩，比如阿勒泰地區(qū)的小型土石壩修建得就比較多。與混凝土相比，土石混合體的耐久性、抗?jié)B性等要遜色不少，所以土石壩滲流場(chǎng)受降雨、地下水和庫(kù)水升降的影響比混凝土壩更敏感，因?yàn)闈B流誘發(fā)土石壩破壞、潰壩的案例也更多。在大壩的實(shí)際運(yùn)行中，庫(kù)水水位在降雨、融雪融冰、蒸發(fā)和泄水的作用下會(huì)經(jīng)常改變，庫(kù)水上升時(shí)，土體的含水率、飽和度會(huì)增加，同時(shí)抗剪強(qiáng)度和粘聚力會(huì)降低，大壩整體性和抗滑性會(huì)削減，而庫(kù)水下降時(shí)，土體孔隙水重新分布而改變壩體內(nèi)力，壩體安全性同樣會(huì)受到削減[1-3]。探究庫(kù)水升降對(duì)土石壩滲流的影響具有一定研究意義，在這樣的背景下，開(kāi)展了對(duì)新疆阿勒泰地區(qū)某土石壩滲流受庫(kù)水升降影響的研究。

1 非飽和滲流模型

本文在有限元軟件GeoS tudio的中建立了土石壩滲流模型，將模型劃分為若干網(wǎng)格單元，各單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，利用非飽和滲流理論求出各個(gè)單元的滲流方程，全部滲流方程聯(lián)立求出的數(shù)值解，就是模型的滲流結(jié)果[4，5]。

1.1 基本假設(shè)

一般地，建立基于以下三個(gè)假設(shè)來(lái)建立滲流模型：(1)任意單位體積土體的水頭損失一致；(2)任意過(guò)水?dāng)嗝嫔系臐B流量相等；(3)任意水力作用面上的滲流壓力相同。

1.2 滲流方程

達(dá)西定理是推導(dǎo)非飽和滲流方程的基礎(chǔ)[6]，滲流在各方向上的達(dá)西公式可表示為：

(1)

由質(zhì)量守恒定律可知，由于土體內(nèi)單位水頭損失造成的流量損失等于空隙釋放的孔隙水量，該過(guò)程可表示為：

結(jié)合達(dá)西定理可得非飽和滲流場(chǎng)的方程為：

1.3 邊界條件

確定滲流場(chǎng)的邊界條件就能求解壩體的滲流結(jié)果，邊界條件分為以下三類(lèi)：

(1)水頭邊界，指的是模型邊界的是水頭壓力分布，考慮水頭的時(shí)變性，方程可寫(xiě)為：h|Γ1=f(x，y，z，t)

2 工程概況

土石壩所在的庫(kù)區(qū)位于新疆阿勒泰山區(qū)，屬于小流域管理水利設(shè)施，主要用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的供給，庫(kù)區(qū)巖土結(jié)構(gòu)分為兩層，下層以云母花崗巖為主，斷層裂隙發(fā)達(dá)且多為陡傾角，上層被厚度約為0.5～5 m的砂巖、礫巖覆蓋。當(dāng)?shù)啬杲涤攴植疾痪珊岛蜕胶楸┯觐l發(fā)，水庫(kù)蓄水增減變化明顯，庫(kù)水水位變化對(duì)土石壩的影響不容忽視。

3 土石壩模型

圖1 土石壩二維模型

壩基網(wǎng)格采用四邊形單元?jiǎng)澐?，壩體網(wǎng)格采用四邊形單元和三角形單元組合劃分，模型單元總數(shù)5 738，節(jié)點(diǎn)總數(shù)5 886。壩體材料物理參數(shù)如表1所示。

表1 壩體材料物理參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置了不同工況來(lái)計(jì)算土石壩在定水位及庫(kù)水不同升降速率下的滲流結(jié)果。

4.1 定水位的滲流結(jié)果

土石壩在定水位下的孔隙水壓力分布情況如圖2所示，工況1、2的水位條件如表2所示。

表2 工況1、2的水位設(shè)置

如圖2所示，庫(kù)水水位越高，通過(guò)心墻的滲流量越大，孔隙水壓力等值線(xiàn)通過(guò)心墻后的下降程度越大，心墻抵御庫(kù)水入滲的效果越明顯，各工況下的心墻斷面流量依次為7.3×10-8m3/s、3.7×10-7m3/s。庫(kù)水水位越高，孔隙水壓力峰值越大，庫(kù)水下方基巖的孔隙水壓力也更高，而且各工況下孔隙水壓力峰值250 KPa、300 KPa均出現(xiàn)在大壩上游的基巖底部，土石壩發(fā)生管涌的可能性也隨水位的增高而加大，說(shuō)明庫(kù)水水位越高，壩體穩(wěn)定性越差。

圖2 不同水位下的孔隙水壓力分布圖(KPa)

4.2 庫(kù)水下降時(shí)的滲流結(jié)果

設(shè)定庫(kù)水水位從校核水位1 098 m降至正常蓄水位1 088 m為初始條件，設(shè)置工況3、4來(lái)計(jì)算庫(kù)水下降速率對(duì)滲流結(jié)果的影響，工況設(shè)置如表3所示。

表3 工況3、4的庫(kù)水下降速率

從圖3可看出，模型上游浸潤(rùn)線(xiàn)均呈現(xiàn)出向上突起的形狀，壩體內(nèi)自由水面的下降較庫(kù)水下降要滯后，庫(kù)水降速越快，滯后現(xiàn)象越明顯，浸潤(rùn)線(xiàn)越彎曲。截至庫(kù)水下降完全時(shí)，工況3、4對(duì)應(yīng)上游浸潤(rùn)線(xiàn)凈高度降至3.3

圖3 壩體浸潤(rùn)線(xiàn)變化圖

m、7 m，粘土心墻浸潤(rùn)線(xiàn)凈高度也降至3.4 m、7.3 m，說(shuō)明庫(kù)水下降越快，壩體和心墻排水越滯后，壩體表層孔隙水壓力消散速率較庫(kù)水下降速率越慢，浸潤(rùn)線(xiàn)以下飽和土體對(duì)壩體產(chǎn)生的揚(yáng)壓力越大，上游壩體越容易滑動(dòng)、失穩(wěn)。下游浸潤(rùn)線(xiàn)在不同庫(kù)水下降速率下基本不變，庫(kù)水下降對(duì)其無(wú)影響。

4.3 庫(kù)水上升時(shí)的滲流結(jié)果

設(shè)定庫(kù)水水位從正常蓄水位1 088 m上升至校核水位1 098 m為初始條件，設(shè)置工況6來(lái)模擬庫(kù)水上升速率對(duì)滲流結(jié)果的影響，工況設(shè)置如表5所示。

表5 工況5的庫(kù)水上升速率

從圖4可看出，庫(kù)水從上游浸潤(rùn)線(xiàn)和淹水壩面向土石壩內(nèi)部滲透，不同時(shí)刻的上游浸潤(rùn)線(xiàn)均呈下凹狀，庫(kù)水升速越快，浸潤(rùn)線(xiàn)下凹越明顯，下游浸潤(rùn)線(xiàn)依然不受庫(kù)水上升的影響。由于庫(kù)水是由低往高加載的，浸潤(rùn)線(xiàn)以上的土體保持初始含水量，處于非飽和狀態(tài)，土體狀態(tài)在浸潤(rùn)線(xiàn)的包絡(luò)下逐漸向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程比較緩慢，導(dǎo)致壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線(xiàn)高度相比庫(kù)水高度的上升出現(xiàn)了滯后，且?guī)焖簧仙娇欤錅笤斤@著。非飽和土體含水量的增減會(huì)不斷削減其抗剪強(qiáng)度和粘聚力，因此上游壩體的穩(wěn)定性隨庫(kù)水上升不斷降低。當(dāng)庫(kù)水上升完成并保持在校核水位直至第200天時(shí)，土石壩進(jìn)入穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

圖4 壩體浸潤(rùn)線(xiàn)變化圖

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)阿勒泰地區(qū)某土石壩在定水位及庫(kù)水不同升降速率下的滲流模擬結(jié)果表明：

(1)粘土心墻能有效阻擋庫(kù)水入滲，還能降低下游浸潤(rùn)線(xiàn)。庫(kù)水降速越快，上游浸潤(rùn)線(xiàn)的變化越滯后，壩體含水量分布越不均，引發(fā)的揚(yáng)壓力越大，對(duì)壩體的穩(wěn)定越不利。庫(kù)水上升越快，上游浸潤(rùn)線(xiàn)下凹越明顯，庫(kù)水入滲越滯后，壩體受力越不平衡，其穩(wěn)定性越差。

(2)由于缺乏三維模型所需計(jì)算資源，因此僅計(jì)算了土石壩二維模型的滲流結(jié)果，對(duì)土石壩孔隙水壓力、體積含水量及水力梯度的變化還需要進(jìn)一步研究。