某土石壩壩坡穩(wěn)定與防滲體影響分析

黃錦林，高志涵，張建偉，侯 福

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2. 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510635；3. 華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046)

1 概述

土石壩由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省鋼材、對(duì)地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)目前建造了約8.3萬(wàn)座土石壩，其中約30%的垮壩事故是由滲流和壩坡失穩(wěn)引起的[1]。土石壩在上游水壓力作用下將會(huì)沿著土體空隙產(chǎn)生滲流，滲流的存在不利于土石壩的安全運(yùn)行，過(guò)大的滲流坡降會(huì)誘發(fā)土體產(chǎn)生流土破壞；壩內(nèi)滲流會(huì)加劇土體的沖刷，水流將細(xì)小顆粒從滲流通道中帶走，發(fā)生管涌破壞；土石壩的內(nèi)部存在浸潤(rùn)線，浸潤(rùn)線以下的飽和土體受到向上的浮托力，減輕了抵抗滑動(dòng)的有效重量，不利于土石壩的穩(wěn)定[2]；土石材料浸水之后，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)將會(huì)下降，在滲流力和重力的作用下，壩坡容易出現(xiàn)滑動(dòng)失穩(wěn)。滲流和穩(wěn)定分析是土石壩設(shè)計(jì)中必須考慮的內(nèi)容，也是大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全監(jiān)測(cè)的重要依據(jù)。我國(guó)在20世紀(jì)建造了大量的土石壩，部分土石壩到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成了病險(xiǎn)大壩，滲流和穩(wěn)定問(wèn)題日益突出[3]。因此，對(duì)土石壩的滲流與穩(wěn)定開(kāi)展研究很有必要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土石壩的滲流和穩(wěn)定問(wèn)題做了較多的研究。周清勇等[4]分析了混凝土防滲墻的施工缺陷對(duì)土石壩滲流的影響，得出防滲墻的各類施工缺陷造成的壩內(nèi)滲流的變化情況。梁凱圣等[5]使用Geo-Studio有限元軟件分析了庫(kù)水位快速下降對(duì)土石壩內(nèi)部滲流的影響，并得出各種工況下臨水坡面的安全系數(shù)。張建偉等[6]使用ABAQUS有限元軟件對(duì)守口堡膠凝砂礫石壩進(jìn)行應(yīng)力分析，研究了膠凝砂礫石壩在正常蓄水位和超載兩種工況下應(yīng)力和變形的特點(diǎn)。齊小靜等[7]使用強(qiáng)度折減法計(jì)算了土石壩在正常蓄水位滲流穩(wěn)定期和庫(kù)水位驟降兩種工況下的安全系數(shù)，并探究了土石壩失穩(wěn)的判斷依據(jù)。倪沙沙[8]使用有限元方法分析了降雨入滲對(duì)土石壩及壩坡穩(wěn)定性的影響，并研究了降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)各自的影響程度。王鵬全等[9]基于Geo-Studio研究了粘土心墻防滲體的滲透系數(shù)、高度和心墻上游坡度對(duì)土石壩滲流和穩(wěn)定的影響，得到各因素對(duì)滲流和穩(wěn)定的影響水平，并比選出最優(yōu)的心墻構(gòu)造組合。羅日洪等[10]通過(guò)建立土壩非飽和滲流模型，結(jié)合壩體土體允許坡降，反推庫(kù)水位的安全蓄水速度，以確定某新建水庫(kù)合理的蓄水時(shí)間。

本文以某土石壩為研究對(duì)象，結(jié)合基本資料，利用ABAQUS有限元軟件，對(duì)土石壩在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下的上下游壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行敏感性分析，探究單獨(dú)移除混凝土防滲墻、粘土心墻和水平排水帶后，上下游壩坡在兩種工況下的穩(wěn)定情況，通過(guò)對(duì)比前后壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化來(lái)探究各防滲設(shè)施對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某土石壩位于淮河上游干流上，是一座以防洪、灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖的大型水利樞紐。水庫(kù)的正常蓄水位為88 m，設(shè)計(jì)洪水位為95.78 m，校核洪水位為98.12 m。土壩的壩頂高程為100.4 m，壩底高程為80 m，壩頂寬度為8 m，壩頂設(shè)1.2 m高防浪墻。大壩上游壩坡分為3級(jí)，從上往下坡比分別為1:2.5、1:2.75和1:3。分別在95 m高程設(shè)置7 m寬的壓重平臺(tái)，在87 m高程設(shè)2 m寬?cǎi)R道；下游壩坡亦分為3級(jí)，自上而下坡比分別為1:2.25、1:2.5和1:2.75，在95 m高程處設(shè)置5 m寬的壓重平臺(tái)，在87 m高程處設(shè)2 m寬?cǎi)R道。防滲體采用粘土心墻，心墻頂部寬度為4 m，心墻的上、下游坡率均為1:0.5。心墻底部還設(shè)置了寬1 m、高9.5 m、與土石壩軸線平行布置的混凝土防滲墻。防滲體上游設(shè)置水平寬度為3 m的粗砂反濾層，下游分別設(shè)水平寬度為3 m的粗砂反濾層、2 m寬的碎石排水帶和1 m寬的過(guò)渡料層，其底部通過(guò)水平排水帶與土石壩下游的貼坡排水相連，共同組成壩體的排水系統(tǒng)。

該土石壩的截面如圖1所示。

圖1 某土石壩橫截面示意

2.2 有限元模型建立及材料屬性的設(shè)置

根據(jù)該土石壩設(shè)計(jì)資料，建立大壩截面和上游壩坡的二維模型。并根據(jù)工程勘察資料中的描述，通過(guò)查閱《工程地質(zhì)手冊(cè)》獲取各類材料的密度、彈性模量、泊松比、滲流系數(shù)等數(shù)據(jù)，得到的各類材料基本參數(shù)見(jiàn)表1所示。結(jié)合材料基本參數(shù)，建立某土石壩的有限元模型。考慮壩體在穩(wěn)定滲流期內(nèi)主要受重力荷載及水壓力作用，為了模擬穩(wěn)定滲流，將模型的位移邊界條件設(shè)置為全約束。該模型采用網(wǎng)格單元類型為CPE4P單元，劃分為1 542個(gè)單元，共1 635個(gè)結(jié)點(diǎn)。

表1 各類材料基本參數(shù)

3 某土石壩的壩坡穩(wěn)定性分析

土石壩的穩(wěn)定分析采用強(qiáng)度折減法，在ABAQUS中通過(guò)設(shè)置材料的摩爾-庫(kù)倫塑性特征，可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)摩擦角和粘聚力的強(qiáng)度折減[11-12]。查閱基本資料得知，上游壩坡材料類型主要為壩殼砂礫料，護(hù)坡和上游反濾層所占比例很小。在穩(wěn)定分析的過(guò)程中，假設(shè)上游壩坡材料均為壩殼料，其材料屬性見(jiàn)表2所示。

表2 壩殼砂礫料的基本參數(shù)

根據(jù)SL 274—2020《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)規(guī)定：在穩(wěn)定滲流期，土石壩的穩(wěn)定分析需要考慮正常運(yùn)行條件和非常運(yùn)行條件兩種情況，對(duì)應(yīng)的上游水位分別為設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。在ABAQUS中分別計(jì)算以上兩種工況上下游壩坡的安全系數(shù)和危險(xiǎn)滑裂面的位置，并與《規(guī)范》中規(guī)定的最小安全系數(shù)對(duì)比，查看其穩(wěn)定性是否滿足要求。

從后處理界面中繪制強(qiáng)度折減系數(shù)和X方向的位移變化關(guān)系圖，曲線的拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為壩坡的安全系數(shù)。經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 不同工況下的安全系數(shù)

經(jīng)比較，某土石壩在兩種工況下壩坡的安全系數(shù)均大于《規(guī)范》規(guī)定的最小安全系數(shù)，滿足抗滑穩(wěn)定要求，且有較大的安全裕量。土石壩上下游的危險(xiǎn)滑裂面位置如圖2所示。

從圖2可以觀察到某土石壩上下游的危險(xiǎn)滑裂面均呈圓弧狀，與極限平衡法假定的圓弧滑裂面形狀類似。各工況下的安全系數(shù)均大于《規(guī)范》規(guī)定的最小安全系數(shù)，可認(rèn)為壩坡的穩(wěn)定性滿足要求。

a 上游壩坡的危險(xiǎn)滑裂面位置

4 敏感性分析

為了分析不同的防滲設(shè)施對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響水平，本節(jié)對(duì)某土石壩進(jìn)行防滲穩(wěn)定的敏感性分析，探究單獨(dú)改變某一防滲設(shè)施后，上下游壩坡穩(wěn)定性的變化。

該土石壩設(shè)置多種防滲排水設(shè)施，以確保滲流安全，包括混凝土防滲墻、粘土心墻、水平排水帶、反濾層和過(guò)渡層等。分析時(shí)，重點(diǎn)考慮混凝土防滲墻、粘土心墻防滲體和水平排水帶三者各自對(duì)滲流的影響。

4.1 移除混凝土防滲墻對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響

混凝土防滲墻主要用來(lái)截?cái)嗟鼗械臐B流，延長(zhǎng)滲徑以降低滲流比降，防止發(fā)生滲透破壞，減少管涌和流土的發(fā)生幾率。周清勇等[4]已經(jīng)研究了混凝土防滲墻的初始裂縫、滲透系數(shù)和懸掛深度各自對(duì)壩內(nèi)滲流的影響。本節(jié)將探討移除混凝土防滲墻前后，土石壩穩(wěn)定性的變化情況，在ABAQUS中，將混凝土防滲墻部分的材料性質(zhì)改為地基材料，實(shí)現(xiàn)混凝土防滲墻的移除。防滲墻移除前后的滲流速度矢量示意如圖3～圖4所示。

圖3 移除混凝土防滲墻前的滲流速度矢量示意

圖4 移除混凝土防滲墻后的滲流速度矢量示意

由圖3、圖4可知，混凝土防滲墻對(duì)于地基滲流影響較為明顯，移除混凝土防滲墻之后，在原本防滲墻的位置處出現(xiàn)滲流，且滲流的速度有較大的增加。使用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定分析，得到設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下的壩坡安全系數(shù)見(jiàn)表4所示。

表4 不同工況下的安全系數(shù)

移除了混凝土防滲墻后，兩種工況下的安全系數(shù)均有所減小，但仍大于《規(guī)范》規(guī)定的最小安全系數(shù)，抗滑穩(wěn)定性滿足要求。但是土石壩的安全裕量較小，遇到如地震、庫(kù)水位驟降等特殊情況有可能發(fā)生滑動(dòng)?？傻贸鼋Y(jié)論：混凝土防滲墻能夠截?cái)鄩位鶟B流，移除之后對(duì)壩體的抗滑穩(wěn)定性有不利的影響。在實(shí)際工程中，混凝土防滲墻由于防滲效果好，施工方法簡(jiǎn)單、成本低廉，已廣泛地應(yīng)用在土石壩的建設(shè)中。本工程中為防止下層地基低液限粘土層不均勻，避免夾雜透水性強(qiáng)的土層導(dǎo)致滲漏量大及影響壩體穩(wěn)定，設(shè)置混凝土防滲墻對(duì)大壩安全是有利的。

4.2 移除粘土心墻防滲體對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響

土石壩的防滲設(shè)計(jì)一直遵循著“上堵下排”的原則，即土石壩的上游防滲體和下游排水體聯(lián)合作用，減小滲流的危害。防滲體作為土石壩設(shè)計(jì)中重要的一部分，在滲流控制中起著不可替代的作用。本節(jié)將探究移除防滲體后對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響，把心墻的材料性質(zhì)改變?yōu)橥車鷫螝げ牧?，可以?shí)現(xiàn)心墻的移除，兩種工況下的壩坡安全系數(shù)見(jiàn)表5所示。

表5 不同工況下的安全系數(shù)

對(duì)比《規(guī)范》中規(guī)定的各工況下的最小安全系數(shù)，當(dāng)上游水位為校核洪水位時(shí)，移除了防滲體之后的上游壩坡不滿足抗滑穩(wěn)定的要求，其安全系數(shù)小于規(guī)定的最小值1.30。以校核洪水位為例，其壩內(nèi)的浸潤(rùn)線如圖5所示。

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，移除防滲體之后，原心墻位置處的浸潤(rùn)線位置較高。在壩體下游部分，滲流進(jìn)入下游壩殼區(qū)域，并在水平排水帶的作用下緩慢下降，滲流逸出點(diǎn)的高程約為82.5 m，高出壩基面2.5 m。此時(shí)，壩內(nèi)飽和土體的含量過(guò)高，不利于壩體的穩(wěn)定。

圖5 移除粘土心墻防滲體后的壩體浸潤(rùn)線示意

結(jié)合穩(wěn)定和滲流分析的內(nèi)容，可以看出防滲體在降低壩體浸潤(rùn)線、保持壩體穩(wěn)定方面發(fā)揮較大的作用。一旦移除防滲體，壩體內(nèi)部飽和土體的含量增大，對(duì)土石壩的穩(wěn)定有不利影響。在實(shí)際工程中，防滲體是土石壩不可或缺的構(gòu)造，在設(shè)計(jì)防滲體時(shí)，需重視其土料的滲透性和壓實(shí)程度，施工質(zhì)量的好壞在一定程度上決定工程效益是否能夠有效發(fā)揮。

4.3 移除水平排水帶對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響

排水體是土石壩防滲系統(tǒng)中的重要組成部分，排水體能夠及時(shí)地將壩內(nèi)滲水引導(dǎo)至下游，降低滲流逸出點(diǎn)的高程，加速孔隙水壓力的消散以提高壩體的穩(wěn)定性[2]。某土石壩采用的是壩體內(nèi)部水平排水帶和下游貼坡排水聯(lián)合的形式，能夠有效地將壩內(nèi)滲水排往下游。本節(jié)將移除水平排水帶，將聯(lián)合排水改變?yōu)橘N坡排水，修改ABAQUS內(nèi)的關(guān)鍵詞，刪除對(duì)應(yīng)邊界的*SFLOW命令即可實(shí)現(xiàn)。移除了水平排水帶后，兩種工況下的壩坡安全系數(shù)見(jiàn)表6所示。

表6 不同工況下的安全系數(shù)

將表6中的各項(xiàng)安全系數(shù)與《規(guī)范》對(duì)比，可以看出移除了水平排水帶后，下游壩坡的安全系數(shù)在兩種工況下均不滿足《規(guī)范》的要求，通過(guò)ABAQUS軟件分析壩內(nèi)滲流的變化，校核洪水位下的壩內(nèi)浸潤(rùn)線如圖6所示。

觀察圖6可以看到移除水平排水帶后對(duì)下游壩體的滲流影響較為明顯。下半部分的壩內(nèi)浸潤(rùn)線下降緩慢，下游滲流逸出點(diǎn)的高程約為85 m，高出下游壩基面約5 m。下游壩坡的大部分區(qū)域處在浸潤(rùn)線以下，材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)有所下降，不利于下游壩坡的抗滑穩(wěn)定性。

圖6 移除水平排水帶后的壩體浸潤(rùn)線示意

移除了水平排水帶之后，壩體下游部分的滲水不能及時(shí)地排出，大部分土體長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，滲流逸出點(diǎn)的高程也較高，減輕了抵抗滑動(dòng)的有效重量，對(duì)土石壩的穩(wěn)定有著不利影響，下游壩坡的安全系數(shù)大幅下降，均小于《規(guī)范》所要求的最小值。

4.4 不同防滲設(shè)施對(duì)壩坡穩(wěn)定影響水平的比較

對(duì)比表4、表5和表6中各工況下的安全系數(shù)的變化，可以看出水平排水帶對(duì)于壩坡穩(wěn)定性的影響最為明顯，移除之后，安全系數(shù)減小的幅度較大，且不滿足抗滑穩(wěn)定的要求；粘土心墻的影響次之，最后是混凝土防滲墻。

其中混凝土防滲墻的主要作用是截?cái)嗟鼗鶟B流，移除后地基滲流隨之增大，從而不利于壩體的抗滑穩(wěn)定；粘土心墻主要用來(lái)降低壩體浸潤(rùn)線，移除之后壩體的浸潤(rùn)線下降緩慢，壩體內(nèi)部的飽和區(qū)域隨之增加，降低了壩坡的抗滑穩(wěn)定性；水平排水帶能夠及時(shí)地排出壩內(nèi)滲水，降低滲流逸出點(diǎn)的高程，移除之后對(duì)于下游壩坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，下游壩體的浸潤(rùn)線較高，土體長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，對(duì)壩坡的穩(wěn)定性不利。

移除任一防滲排水設(shè)施，都對(duì)土石壩的抗滑穩(wěn)定性有較大的影響。在實(shí)際工程中，往往多類防滲排水設(shè)施聯(lián)合工作，從而有效控制滲流，提高壩體的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮不同防滲排水設(shè)施對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響，采用合理的防滲排水設(shè)計(jì)，通過(guò)各設(shè)施的優(yōu)化組合，確保土石壩的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 某土石壩的防滲排水和穩(wěn)定設(shè)計(jì)較為合理，在正常運(yùn)行工況和非常運(yùn)行工況下，其壩坡的安全系數(shù)均大于《規(guī)范》中規(guī)定的最小值，且有較大的安全裕量，抗滑穩(wěn)定滿足要求。

2) 移除了混凝土防滲墻之后，地基滲流得到加強(qiáng)，不利于土石壩的抗滑穩(wěn)定，安全系數(shù)較移除前有明顯的減小，雖符合《規(guī)范》中的要求，但安全裕量不大，特殊情況下有可能發(fā)生失穩(wěn)。

3) 粘土心墻對(duì)于壩內(nèi)浸潤(rùn)線的影響較大，移除之后，浸潤(rùn)線下降緩慢，壩體的飽和度增大，對(duì)穩(wěn)定不利。安全系數(shù)隨之減小，且在校核洪水位下，上游壩坡不滿足抗滑穩(wěn)定的要求。

4) 水平排水帶移除之后，下游壩體的浸潤(rùn)線較高，滲流逸出點(diǎn)高出壩基約5 m，對(duì)于下游壩坡的穩(wěn)定性有著較大的影響，下游壩坡在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件下均不滿足《規(guī)范》中對(duì)于穩(wěn)定性的要求。