礫石土粗粒含量對高土石壩穩(wěn)定滲流的影響

常利營，葉發(fā)明，陳 群

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；3.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

目前我國已建及在建的高心墻堆石壩都采用礫石土作為心墻防滲料[1-2]，礫石土的工程性質(zhì)與其級配有著密切的關(guān)系。如何選擇礫石土的級配控制標(biāo)準(zhǔn)是土石壩工程需要特別重視的問題?！赌雺菏酵潦瘔卧O(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中對填筑防滲體礫石土的要求為：粒徑大于5 mm 的顆粒含量（P5含量，指質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）不宜超過50%，擊實(shí)后滲透系數(shù)小于1×10?5cm/s。礫石土心墻壩為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，最大限度地利用?dāng)?shù)靥烊徊牧鲜瞧湟淮筇攸c(diǎn)。由于地理、地質(zhì)條件限制，很多地區(qū)的天然土料不能同時(shí)滿足高壩防滲與強(qiáng)度性能要求，因而需要考慮摻配或其他處理方式以改善其工程特性。然而，由于料源的復(fù)雜性、開采的難度及料源的儲(chǔ)量受限等因素[4]，摻配后P5含量有可能無法完全滿足規(guī)范要求。在施工過程中，由于施工質(zhì)量的差異，也會(huì)導(dǎo)致心墻局部出現(xiàn)P5含量不滿足規(guī)范要求的情況。當(dāng)P5含量超過50%時(shí)，其滲透系數(shù)會(huì)超過1×10?5m/s，可能會(huì)影響壩體的滲透穩(wěn)定。心墻中出現(xiàn)P5含量超過50%的部位也是隨機(jī)分布的，此時(shí)心墻整體滲透性存在一定的不均勻性[5]。目前對心墻局部礫石土粗粒含量超標(biāo)對壩體滲流影響的研究還相對較少。

胡冉等[6]通過對心墻滲透坡降較大區(qū)域節(jié)點(diǎn)建立滲透穩(wěn)定功能函數(shù)，分析了心墻滲透系數(shù)變異性對心墻滲透破壞失效概率的影響；王林等[7]采用蒙特卡羅隨機(jī)有限元法對山坪土石壩進(jìn)行了隨機(jī)滲流場分析，研究了滲透系數(shù)等的隨機(jī)特性對滲流的影響；王飛等[8]基于一階Taylor 隨機(jī)有限元法，將滲透系數(shù)視為三維獨(dú)立正交隨機(jī)場，研究了其對滲流場中水頭和水力梯度的影響；李守巨等[9]采用ANSYS 中APDL 語言，模擬了多孔介質(zhì)材料隨機(jī)滲流場，研究了等效滲透系數(shù)與孔隙率的相關(guān)關(guān)系；汪濤等[10]通過引入隨機(jī)數(shù)的概念，研究了不同施工超標(biāo)率和超標(biāo)單元滲透系數(shù)對壩體滲流場的影響；馮璐[11]研究了滲透系數(shù)的隨機(jī)程度、各向異性程度及分層隨機(jī)性對壩體滲流場的影響。

上述研究均表明材料滲透系數(shù)的變異會(huì)對滲流場產(chǎn)生較大的影響，但是研究對象都是整體存在滲透性隨機(jī)差異的巖土體，在實(shí)際工程中，為了更合理地利用天然土料，一般會(huì)對壩體進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，不同區(qū)域采用不同的土料，最大限度降低工程造價(jià)，因此，本文結(jié)合壩體心墻的分區(qū)設(shè)計(jì)，采用ABAQUS 有限元軟件，研究粗粒含量超標(biāo)對壩體穩(wěn)定滲流場的影響，為心墻土料的分區(qū)利用提供參考。

1 計(jì)算模型

本文對兩河口心墻堆石壩進(jìn)行了簡化，壩體典型橫斷面中壩底高程為0 m，壩頂高程295.0 m，正常水位285.0 m，下游水位30.0 m，壩頂寬16 m，壩底寬1 137 m，順河向壩底總長1 137 m，大壩心墻采用礫石土直立式心墻型式，心墻上、下游坡比均為1∶0.2，上游反濾層水平厚度為8.0 m，下游反濾層水平厚度為12.0 m，上、下游反濾層的坡比也都為1∶0.2，上、下游反濾層與堆石體間設(shè)置過渡層，上、下游過渡層的坡比均為1∶0.4，上游壩坡坡比為1∶2.0，下游壩坡坡比為1∶1.8。心墻分三區(qū)，心墻下部：高程范圍0～140 m，心墻中部：高程范圍140～210 m，心墻上部：高程范圍210～295 m。以壩體典型橫剖面為基礎(chǔ)建立了有限元模型，壩體滲透坡降最大值與心墻控制性網(wǎng)格及單寬滲流量的關(guān)系如圖1 所示，可見當(dāng)心墻單元尺寸不超過5.0 m 時(shí)，滲透坡降最大值和單寬滲流量的變化都較小，因此本文計(jì)算中心墻單元分網(wǎng)基本尺寸為5.0 m，計(jì)算模型共有17 352 個(gè)單元，單元類型有八面體單元和六面體單元兩類，有限元計(jì)算中順河流方向?yàn)閄軸，壩軸線方向?yàn)閅軸，高程方向?yàn)閆軸，沿壩軸線方向取40.0 m。

圖1 滲透坡降和滲流量對網(wǎng)格尺寸的依賴性Fig.1 Dependence of seepage gradient and seepage discharge on the mesh size

1.1 計(jì)算方案

穩(wěn)定滲流工況下，壩體上游水位為285.0 m，下游水位為30.0 m，大壩迎水面上游水位以下、背水面下游水位以下都施加定水頭邊界條件，背水面下游水位以上為自由出流邊界，其余壩體外表面為不透水邊界。

本文主要研究心墻3 個(gè)分區(qū)內(nèi)分別出現(xiàn)粗粒含量超標(biāo)時(shí)對壩體滲流的影響，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，首先對心墻某分區(qū)內(nèi)的所有單元按均勻分布進(jìn)行隨機(jī)抽樣，使抽得的單元體積占比（本文稱為超標(biāo)率）滿足設(shè)定值，超標(biāo)的概率為0 時(shí)，即心墻料中粗粒含量都為50%，為基準(zhǔn)方案，即心墻整體粗粒含量都為50%。心墻上、中、下部的超標(biāo)率設(shè)各為20%、40%、60%、80%和100%等5 種情況，未超標(biāo)單元的粗粒含量為50%，超標(biāo)單元的粗粒含量設(shè)為55%、60%、65%和70%，組合為12 種計(jì)算工況。以計(jì)算方案L55-20 為例，代表方案中超標(biāo)部位在心墻下部，超標(biāo)單元粗粒含量為55%，超標(biāo)率為20%。根據(jù)粗粒含量的不同，超標(biāo)單元（P5>50%）和未超標(biāo)單元（P5=50%）賦予相應(yīng)的滲透系數(shù)。

1.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合兩河口土料室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，中心墻礫石土未超標(biāo)時(shí)（即P5=50%）滲透系數(shù)k采用1.00×10?5cm/s，滿足規(guī)范要求。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)，粗粒含量超過50%后，隨著粗粒含量的增加，礫石土滲透系數(shù)隨之增大，滲透破壞坡降隨之減小，因此，處理粗粒含量超標(biāo)時(shí)（即P5>50%）滲透系數(shù)和滲透坡降也有所不同，計(jì)算中壩體各材料的滲流計(jì)算參數(shù)見表1。ABAQUS 在分析滲流問題時(shí)同時(shí)存在飽和與非飽和滲流[12]，計(jì)算中各壩體材料采用的土-水特征曲線如圖2 所示，以描述土料的非飽和特性。壩體材料都采用各向同性材料。壩體的抗?jié)B安全系數(shù)一般取為2.0，則允許滲透坡降為破壞坡降值的1/2，不同粗粒含量下礫石土的允許滲透坡降取值見表1。

圖2 壩體材料土-水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curves of dam materials

表1 壩體材料計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of dam materials

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 粗粒含量超標(biāo)對壩體孔壓分布及滲流量的影響

當(dāng)心墻粗粒含量超標(biāo)時(shí)，壩體堆石區(qū)、過渡區(qū)和反濾區(qū)的孔壓分布與無超標(biāo)時(shí)（基準(zhǔn)方案）的幾乎相同，因此，以下分析中僅給出不同方案下心墻中的孔壓等值線分布進(jìn)行對比分析。

圖3 給出了心墻下部粗粒含量超標(biāo)20%時(shí)各方案心墻內(nèi)孔壓分布，心墻中部和上部的規(guī)律與之類似，文中不再給出。當(dāng)心墻單元存在粗粒含量超標(biāo)時(shí)，除了超標(biāo)率為100%的情況，心墻超標(biāo)單元所在區(qū)域內(nèi)孔壓等值線不再光滑平順，且隨著粗粒含量的增大，等值線彎曲程度也更加明顯；超標(biāo)率為100%時(shí)，心墻內(nèi)土料又變得均勻，因此等值線仍是光滑平順的，與基準(zhǔn)方案相同。

圖3 心墻下部粗粒含量超標(biāo)20%時(shí)孔壓分布Fig.3 Distribution of pore pressures in the cores having an over-standard rate of 20% at the power part

圖4(a)給出了心墻下部粗粒含量超標(biāo)時(shí)各方案心墻內(nèi)滲流出逸高程的變化，心墻中部和上部的規(guī)律與之類似，文中不再給出?？梢钥闯觯瑯?biāo)單元粗粒含量為50%～60%時(shí)，心墻內(nèi)出逸高程都基本保持不變，說明在此范圍內(nèi)心墻承擔(dān)的水頭差比例基本相當(dāng)，心墻都起到了很好的防滲效果；超標(biāo)單元粗粒含量大于60%后，出逸高程隨著粗粒含量的增大而增高。超標(biāo)單元所在區(qū)域?yàn)樾膲ο虏繒r(shí)，出逸高程增加較為明顯，超標(biāo)單元所在區(qū)域?yàn)樾膲χ胁炕蛐膲ι喜繒r(shí)，出逸高程增加很小；超標(biāo)率越大，出逸高程越高，心墻內(nèi)飽和區(qū)范圍越大。

圖4(b)給出了心墻下部粗粒含量超標(biāo)時(shí)各方案壩體的單寬滲流量，心墻中部和上部的規(guī)律與之類似，文中不再給出。圖4(b)中P5=50%方案都為基準(zhǔn)方案，即心墻整體粗粒含量都為50%。可以看出，隨著粗粒含量和超標(biāo)率的增大，壩體單寬滲流量都隨之增加。相同條件下，超標(biāo)單元所在區(qū)域?yàn)樾膲ο虏繒r(shí)壩體單寬滲流量最大，為心墻上部時(shí)滲流量最小。以心墻粗粒含量未超標(biāo)時(shí)即基準(zhǔn)方案的滲流量為基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從計(jì)算結(jié)果可以得出，當(dāng)超標(biāo)單元所在區(qū)域?yàn)樾膲χ猩喜浚瑯?biāo)單元粗粒含量小于55%時(shí)，壩體單寬滲流量的增量很小，最大增幅為30.1%；超標(biāo)單元粗粒含量為55%～60%時(shí)，滲流量有一定增大，最大增幅為96.4%；超標(biāo)單元粗粒含量大于60%時(shí)，滲流量明顯增大。當(dāng)超標(biāo)單元所在區(qū)域?yàn)樾膲ο虏浚瑯?biāo)單元粗粒含量小于55%時(shí)，壩體單寬滲流量有一定增加，最大增幅約120%；超標(biāo)單元粗粒含量為55%～60%時(shí)，超標(biāo)率小于20%時(shí)，滲流量增加不大，最大增幅為52.7%，隨著超標(biāo)率的增加，滲流量增加較明顯；超標(biāo)單元粗粒含量大于60%時(shí)，滲流量顯著增大。

圖4 心墻下部粗粒含量超標(biāo)時(shí)滲流出逸高程和單寬滲流量的變化Fig.4 Changes in the seepage exit elevation and the seepage discharge per unit width for the cases having a coarse-grained content larger than 50% in the lower part

2.2 粗粒含量超標(biāo)對壩體滲透坡降的影響

最大滲透坡降隨超標(biāo)單元粗粒含量的變化如圖5 所示。從圖5 可以看出，當(dāng)超標(biāo)區(qū)域位于心墻上部時(shí)，隨著超標(biāo)單元粗粒含量的增大，最大滲透坡降增幅很?。怀瑯?biāo)區(qū)域位于心墻下部或中部，當(dāng)超標(biāo)率小于100%時(shí)，最大滲透坡降隨著超標(biāo)單元粗粒含量的增大都明顯變大，當(dāng)超標(biāo)率為100%時(shí)，心墻材料變得均勻，與基準(zhǔn)方案類似，最大滲透坡降變化很小。以心墻粗粒含量未超標(biāo)時(shí)即基準(zhǔn)方案的最大滲透坡降為基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從計(jì)算結(jié)果可以看出，對于超標(biāo)區(qū)域在上部的情況，最大滲透坡降增幅都很小；對于超標(biāo)區(qū)域在中下部的情況，除去超標(biāo)率為100%的方案外，當(dāng)超標(biāo)單元粗粒含量小于55%時(shí)，最大滲透坡降的增量都較小，最大增幅為36.4%；超標(biāo)單元粗粒含量為55%～60%時(shí)，最大滲透坡降有一定增大，最大增幅為102.4%；超標(biāo)單元粗粒含量大于60%時(shí)，最大滲透坡降顯著增大。

圖5 心墻不同區(qū)域粗粒含量超標(biāo)時(shí)最大滲透坡降Fig.5 Changes in the maximum seepage gradient in the cores having a coarse-grained content larger than 50%

圖6 和圖7 給出了不同方案下心墻內(nèi)粗粒含量超標(biāo)單元和未超標(biāo)單元滲透坡降最大變幅隨粗粒含量的變化。可以看出，當(dāng)心墻粗粒含量超標(biāo)時(shí)，超標(biāo)單元和未超標(biāo)單元中都有部分單元的滲透坡降增大，也有部分單元的滲透坡降減小，且最大增幅和最大降幅都隨著粗粒含量的增大而增加；未超標(biāo)單元的最大增幅明顯高于最大降幅，超標(biāo)單元的最大增幅和最大降幅基本相當(dāng)，且整個(gè)心墻中的最大滲透坡降也都出現(xiàn)在未超標(biāo)單元處。從計(jì)算結(jié)果看，最大滲透坡降所在位置也比較隨機(jī)，可能出現(xiàn)在心墻出逸處、心墻內(nèi)部或心墻下游浸潤面上。

圖6 心墻不同區(qū)域粗粒含量超標(biāo)時(shí)心墻內(nèi)未超標(biāo)單元滲透坡降變幅(虛線為增幅，實(shí)線為減幅)Fig.6 Changes in the maximum gradient range in the elements having a coarse-grained content equal to 50%

根據(jù)已有研究成果，礫石土的滲透破壞形式有兩種：在滲流出口發(fā)生流土或在心墻內(nèi)部發(fā)生管涌，如果心墻中滲流出逸處滲透坡降沒有超過破壞坡降，即使心墻內(nèi)部滲透坡降增大較多，心墻的滲透穩(wěn)定性仍然有保證；如果是心墻出逸口處的坡降超過了破壞坡降，當(dāng)粗粒含量不超過55%時(shí)，從本文結(jié)果看，超出百分比也很小，加之反濾層的保護(hù)作用，滲透破壞發(fā)生的可能性也很小。因此，在實(shí)際工程中結(jié)合礫石土料的級配和細(xì)粒含量情況，做好下游反濾層的設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格控制施工壓實(shí)度，可以將心墻礫石土的粗粒含量控制在55%以內(nèi)，能基本保證壩體的滲透穩(wěn)定。

從以上分析中還可以看出，當(dāng)心墻粗粒含量超標(biāo)時(shí)，粗粒含量未超標(biāo)單元和超標(biāo)單元的滲透坡降都有可能超過其允許坡降，圖8 給出了心墻內(nèi)單元滲透坡降超過允許坡降的體積百分比隨粗粒含量的變化曲線，可以看出，當(dāng)超標(biāo)區(qū)域在心墻上部時(shí)，單元滲透坡降超過允許值的百分比幾乎為零。當(dāng)超標(biāo)區(qū)域在心墻中下部，粗粒含量不超過55%時(shí)，單元滲透坡降超過允許值的百分比很小，對心墻整體的滲透穩(wěn)定性幾乎沒有影響；粗粒含量在55%～60%時(shí)，心墻單元滲透坡降超過允許值的百分比不超過5%，對心墻整體滲透穩(wěn)定性的影響較小；粗粒含量超過60%后，心墻單元滲透坡降超過允許值的百分比增大明顯，隨著超出的體積百分比的增大，心墻內(nèi)的薄弱部位有可能發(fā)生滲透破壞并形成滲漏通道，對心墻整體的滲透穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

圖8 心墻不同區(qū)域粗粒含量超標(biāo)時(shí)單元滲透坡降超過允許坡降體積百分比Fig.8 Changes in the volume percentage over allowable seepage gradient in the cores having a coarse-grained content larger than 50%

3 結(jié)語

采用ABAQUS 有限元軟件，根據(jù)礫石土滲透系數(shù)隨粗粒含量增多而變大的特點(diǎn)，通過對粗粒含量超標(biāo)單元賦予不同的滲透系數(shù)，研究了心墻不同高程范圍內(nèi)礫石土粗粒含量超過50%時(shí)對壩體穩(wěn)定滲流場的影響，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)心墻單元存在粗粒含量超標(biāo)時(shí)，心墻超標(biāo)單元所在區(qū)域內(nèi)孔壓等值線不再光滑平順，且隨著粗粒含量的增大，等值線彎曲程度也更加明顯，壩體單寬滲流量都隨之增加，超標(biāo)單元粗粒含量為50%～60%時(shí)，心墻內(nèi)出逸高程都基本保持不變；超標(biāo)單元粗粒含量大于60%后，出逸高程隨著粗粒含量的增大而增高，超標(biāo)率越大，出逸高程越高，心墻內(nèi)飽和區(qū)范圍越大。

（2）當(dāng)心墻單元存在粗粒含量超標(biāo)時(shí)，超標(biāo)單元和未超標(biāo)單元中都有部分單元的滲透坡降增大，也有部分單元的滲透坡降減小，整個(gè)心墻中的最大滲透坡降都出現(xiàn)在未超標(biāo)單元處。當(dāng)超標(biāo)區(qū)域位于心墻上部時(shí)，最大滲透坡降增幅很小，且都沒有超過允許坡降；對于超標(biāo)區(qū)域在中下部的情況，除去超標(biāo)率為100%的方案外，當(dāng)超標(biāo)單元粗粒含量小于55%時(shí)，滲透坡降最大增幅為36.4%，且超過允許值的百分比很小，超標(biāo)單元粗粒含量大于55%時(shí)，最大滲透坡降顯著增大，且超過允許坡降的百分比隨之增多，有可能在心墻內(nèi)部形成滲透通道，從而影響大壩滲透安全。