干濕循環(huán)作用下堤防岸坡工程穩(wěn)定性與滲流場(chǎng)特征研究

楊俊鴿

(洛陽水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000)

水利工程的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)離不開地基土體，特別是與土體密不可分的岸坡工程[1-2]，水利工程中大多岸坡工程勢(shì)必會(huì)經(jīng)歷干濕效應(yīng)、降雨條件等[3-4]，研究在多種自然工況因素影響下岸坡工程安全穩(wěn)定性與滲流場(chǎng)特征，對(duì)推動(dòng)堤防、壩體等岸坡工程的安全運(yùn)營(yíng)具有重要作用。彭和鵬等[5]、眭敏磊等[6]利用有限元仿真方法建立邊坡模型，施加相關(guān)荷載條件，獲得了邊坡安全系數(shù)與工況條件的關(guān)聯(lián)性。李國(guó)維等[7]、吳忠等[8]根據(jù)岸坡土體特性，采用物化改良方法分析土體力學(xué)特征，為岸坡土體的改良加固提供基礎(chǔ)試驗(yàn)依據(jù)。曾強(qiáng)[9]、雷怡等[10]專門研究岸坡內(nèi)滲流場(chǎng)分布特征，探討坡內(nèi)流場(chǎng)非穩(wěn)定因素，分析岸坡內(nèi)流場(chǎng)特征，為岸坡防滲加固提供參照。而對(duì)于岸坡護(hù)坡方法來說，黨海平等[11]、黃艷婷[12]采用有限元仿真分析了不同護(hù)坡方法下岸坡運(yùn)營(yíng)期穩(wěn)定性變化，擴(kuò)展了岸坡加固方法。從上述已有研究成果可知，綜合穩(wěn)定性與滲流場(chǎng)特征開展岸坡安全性評(píng)價(jià)很有必要，本文采用室內(nèi)滲透試驗(yàn)與Midas GTS仿真建模手段開展了岸坡土體滲透特性測(cè)試、滲流場(chǎng)模擬計(jì)算及安全穩(wěn)定性分析，為工程防滲、護(hù)坡及坡體加固等提供計(jì)算參考。

1 工程概況

某水庫(kù)是重要水利樞紐，其承擔(dān)著地區(qū)防洪調(diào)度、農(nóng)業(yè)灌溉及工業(yè)用水等水利功能，原設(shè)計(jì)蓄水庫(kù)容為320萬m3，正常蓄水位19.5 m。該水庫(kù)工程包括有堤防、泄洪閘及引水灌渠。目前，堤防工程最大高度為21.6 m，無防浪墻及二次加高擋墻等結(jié)構(gòu)設(shè)施，原堤防基礎(chǔ)乃是原位地基，僅進(jìn)行防滲墊層及注漿加固處理，承載力與泄洪閘加固后地基相差較大，堤防斷面形狀如圖1所示，圖1中A1為碎石土，A2為壤土，A3為粉質(zhì)黏土。由于該水庫(kù)工程為區(qū)域內(nèi)水利安全性提供重要保障，因而有必要對(duì)其堤防工程開展加固，特別是堤防兩側(cè)岸坡穩(wěn)定性，該堤防地基土體以軟弱黏土為主，沉降變形較大，特別是岸坡內(nèi)易形成潛在滑移面，對(duì)堤防工程帶來較大威脅。因而，在考慮堤防工程現(xiàn)有地質(zhì)條件前提下，對(duì)該岸坡進(jìn)行“檢修”調(diào)研，獲得該堤防岸坡工程穩(wěn)定性及滲流場(chǎng)特征。

圖1 堤防斷面圖(單位cm)

2 材料與方法

針對(duì)岸坡土體滲透特征，在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣后在室內(nèi)精加工成環(huán)刀土樣，采用STS滲透儀開展變水頭滲透測(cè)試，該裝置首、尾設(shè)置有供水及放水裝置，并配備有帶計(jì)量的水頭管。由于該堤防岸坡土體滲透系數(shù)較大，因而試驗(yàn)過程中分次擊實(shí)土體，確保環(huán)刀試樣間壓實(shí)度，由于不同擊實(shí)次數(shù)勢(shì)必會(huì)影響環(huán)刀土樣密閉性[13]，因而本試驗(yàn)中分別設(shè)定擊實(shí)次數(shù)為1次、2次、3次、4次，當(dāng)土樣4次擊實(shí)后，即可表示土樣壓實(shí)度達(dá)100%，而擊實(shí)1次、2次、3次分別表示壓實(shí)度70%、80%、90%。試驗(yàn)前每個(gè)試樣顆粒在制備前均烘干、重塑，制備后試樣含水量控制為13%～15%，所有試驗(yàn)土樣的質(zhì)量、取樣地點(diǎn)均保持一致性，確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性。

不僅需研究岸坡土體滲透特征，同樣也要探討土體在干濕循環(huán)條件下滲透演變過程，故采用抽真空飽和機(jī)與烘干箱開展岸坡干濕循環(huán)模擬。每次將制備好的飽和試樣放在烘干箱內(nèi)保持8 h，后將試樣采用真空飽和機(jī)完成飽和試驗(yàn)，1輪干濕作用完成。

從試驗(yàn)方法可知，本試驗(yàn)中土樣滲透測(cè)試包括有干濕循環(huán)次數(shù)與壓實(shí)度影響因素，分別測(cè)定各試驗(yàn)方案組土樣滲透特性，試驗(yàn)方案如表1。

表1 各組滲透試樣試驗(yàn)參數(shù)

針對(duì)岸坡靜力穩(wěn)定性與滲流場(chǎng)特征，采用Midas GTS仿真平臺(tái)開展建模分析[14]，并結(jié)合堤防實(shí)際工程建立有限元模型，所劃分的網(wǎng)格單元以實(shí)際土層為本構(gòu)模型依托，如圖2所示。并依托仿真平臺(tái)分別在模型頂部、底部設(shè)定透水和不透水邊界條件，所有降雨條件因素的疊加通過瞬態(tài)徑流設(shè)定，而模型土體滲透系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)由實(shí)測(cè)確定，并假定干濕循環(huán)影響面作用點(diǎn)位于岸坡土體上，在統(tǒng)一地下水位4 m的計(jì)算基礎(chǔ)下，采用穩(wěn)態(tài)法計(jì)算獲得初始孔隙水壓力分布，如圖3。

圖2 岸坡有限元模型

圖3 岸坡初始孔隙水壓力分布

3 岸坡工程穩(wěn)定性特征

3.1 坡內(nèi)土體滲透系數(shù)特征

基于岸坡土體滲透測(cè)試，獲得干濕循環(huán)與壓實(shí)度耦合因素影響下土體滲透系數(shù)變化特征，如圖4所示。從圖中可看出，干濕循環(huán)次數(shù)與土樣滲透系數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)循環(huán)次數(shù)愈大，則滲透系數(shù)愈高，但滲透系數(shù)的變化增幅在減弱，當(dāng)壓實(shí)度均為90%時(shí)，無干濕循環(huán)條件下試樣滲透系數(shù)為1.53×10-8cm/s，而循環(huán)1次、3次、5次后，滲透系數(shù)較前者分別增長(zhǎng)了1.65倍、14.30倍、35.80倍，隨方案每增多1次循環(huán)，滲透系數(shù)平均增長(zhǎng)了1.12倍，但增長(zhǎng)空間集中在循環(huán)次數(shù)0～3次，表明隨干濕循環(huán)作用后，試樣滲透特性逐漸處于劣化發(fā)展過程。當(dāng)壓實(shí)度為70%、100%時(shí)，每增多1次干濕循環(huán)，滲透系數(shù)平均增長(zhǎng)了6.44倍、0.77倍，分析可知壓實(shí)度愈大，此時(shí)干濕循環(huán)對(duì)試樣滲透特性的促進(jìn)效應(yīng)在減弱。軟弱黏土顆粒骨架在環(huán)刀內(nèi)受到多次擊實(shí)后，壓實(shí)度較高，顆粒骨架結(jié)構(gòu)完整性、緊湊性及抗損傷效果均較大，而干濕循環(huán)作用本質(zhì)上是對(duì)土體顆粒骨架孔隙的一種擴(kuò)展、延伸作用[15]，當(dāng)試樣本身壓實(shí)度較高時(shí)，顆粒骨架孔隙的延伸較困難，因而可抑制干濕循環(huán)作用下的滲透特性。當(dāng)干濕循環(huán)條件因素一致時(shí)，壓實(shí)度愈高，則滲透系數(shù)愈低。從各干濕循環(huán)方案來看，壓實(shí)度提升10%，滲透系數(shù)降低了0.93～0.99倍。此即印證了壓實(shí)度對(duì)土樣滲透系數(shù)的約束作用，對(duì)堤防岸坡土體滲流安全性來說，應(yīng)分層壓實(shí)岸坡土層，控制岸坡內(nèi)土體滑移面，增大壓實(shí)系數(shù)。

圖4 土體滲透系數(shù)變化特征

3.2 干濕循環(huán)影響岸坡穩(wěn)定性

為分析干濕循環(huán)作用對(duì)岸坡安全穩(wěn)定性影響，本文在Midas GTS仿真平臺(tái)完成了岸坡安全系數(shù)計(jì)算，獲得了岸坡安全系數(shù)影響變化特征，如圖5。其中計(jì)算模型為圖5(a)所示，土體參數(shù)按照土工試驗(yàn)取值，以折減系數(shù)作為安全系數(shù)求解原則，分析圖中安全系數(shù)變化趨勢(shì)可知，循環(huán)次數(shù)與岸坡安全系數(shù)為負(fù)相關(guān)變化，在相同降雨時(shí)長(zhǎng)30 min下，干濕1次時(shí)安全系數(shù)為3.61，而循環(huán)每增長(zhǎng)1次，在該降雨條件下安全系數(shù)平均減少了0.11，而在降雨時(shí)長(zhǎng)90 min、150 min、240 min下安全系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)平均減少了分別為0.13、0.15、0.26，當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)愈大，干濕循環(huán)作用影響效應(yīng)更顯著，徑流更易在岸坡內(nèi)土層產(chǎn)生滲透通道，導(dǎo)致局部出現(xiàn)突涌點(diǎn)，因而產(chǎn)生安全系數(shù)降低現(xiàn)象。當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)愈大，同一干濕循環(huán)下岸坡安全系數(shù)為遞減態(tài)勢(shì)，但降幅逐漸增大，在循環(huán)2次下，降雨30 min岸坡安全系數(shù)為3.4，而在降雨60～150 min區(qū)間內(nèi)，隨降雨每增大30 min，安全系數(shù)平均降低了0.027，但在降雨150～240 min內(nèi)，安全系數(shù)的降幅最大可達(dá)0.15，平均降低了0.12。而干濕循環(huán)次數(shù)增多后，岸坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)長(zhǎng)變化均是如此，為堤防岸坡安全性，應(yīng)對(duì)坡身進(jìn)行防護(hù)加固，減弱雨期干濕循環(huán)影響。比較干濕循環(huán)與降雨時(shí)長(zhǎng)兩者耦合影響可知，在降雨時(shí)長(zhǎng)影響岸坡安全系數(shù)降幅時(shí)，不同干濕循環(huán)下差距較小，即干濕循環(huán)作用較弱，表明降雨徑流因素對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響高于干濕作用。

圖5 岸坡安全系數(shù)影響變化特征

4 岸坡工程滲流場(chǎng)影響特征

基于圖3模型初始孔隙水壓力分布，借助Midas GTS流場(chǎng)模擬獲得干濕循環(huán)作用、降雨時(shí)長(zhǎng)因素影響下岸坡內(nèi)滲流場(chǎng)特征，本文以坡身內(nèi)孔隙水壓力參數(shù)為典型對(duì)象分析，如圖6所示。

圖6 岸坡孔隙水壓力影響變化特征

分析圖中每個(gè)研究方案下坡身內(nèi)最大孔隙水壓力變化特征可知，當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)一定時(shí)，干濕循環(huán)次數(shù)愈多，則孔隙水壓力愈大，且增幅較穩(wěn)定，在降雨60 min時(shí)長(zhǎng)下，干濕循環(huán)1～4次方案中，各循環(huán)次數(shù)方案間坡身最大孔隙水壓力的增幅分別為0.82～0.88倍，由此可知，岸坡內(nèi)孔隙水壓力受干濕循環(huán)作用影響，其分布狀態(tài)較穩(wěn)定，每一次干濕循環(huán)作用均會(huì)造成岸坡孔隙水壓力的變化。從岸坡土體特征分析可知，黏性土自身孔隙較多，在無理想壓實(shí)狀態(tài)下，干濕循環(huán)作用會(huì)對(duì)其內(nèi)部滲透通道的形成產(chǎn)生“恒量”效果。

當(dāng)處于同一干濕循環(huán)次數(shù)方案中，降雨時(shí)長(zhǎng)愈大，孔隙水壓力遞增，且增幅為先慢后快的態(tài)勢(shì)，在循環(huán)1次時(shí)，降雨30～120 min各方案間坡身最大孔隙水壓力的增幅分別為0.15倍、0.18倍、0.22倍，而在降雨時(shí)長(zhǎng)150～240 min方案內(nèi)孔隙水壓力的最小增幅都已達(dá)0.29倍，此種現(xiàn)象在干濕循環(huán)2～4次下均是如此。干濕循環(huán)疊加作用下，降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)岸坡滲流場(chǎng)影響更為促進(jìn)，而降雨時(shí)長(zhǎng)因素本質(zhì)上反映了降雨徑流條件，故干濕循環(huán)可正向促進(jìn)降雨徑流活躍性[16]。從堤防岸坡穩(wěn)定性考慮，應(yīng)針對(duì)岸坡易受到干濕作用的土層處開展防滲加固處理，確保岸坡內(nèi)滲流場(chǎng)穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

(1)干濕循環(huán)次數(shù)與土樣滲透系數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，但增幅遞減；壓實(shí)度愈大，干濕作用對(duì)試樣滲透特性的促進(jìn)效應(yīng)減弱；壓實(shí)度愈高，則土體滲透系數(shù)愈低，在各干濕循環(huán)次數(shù)下，壓實(shí)度每增大10%，滲透系數(shù)平均降低了0.93～0.99倍。

(2)干濕循環(huán)次數(shù)愈多，岸坡安全系數(shù)愈低，降雨時(shí)長(zhǎng)愈大，干濕循環(huán)作用影響效應(yīng)更顯著，降雨時(shí)長(zhǎng)愈大，岸坡安全系數(shù)為遞減態(tài)勢(shì)，但降幅遞增。

(3)干濕作用、降雨時(shí)長(zhǎng)與孔隙水壓力均為正相關(guān)變化；但干濕作用促進(jìn)增幅較穩(wěn)定，且干濕作用可促進(jìn)降雨條件對(duì)岸坡滲流場(chǎng)影響效應(yīng)。