洪水條件下堤壩孔隙壓力變化的數值模擬

修冬紅

(河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，石家莊 050000)

1 概 述

堤壩是防洪系統(tǒng)的基本組成部分[1]。截至2018年，我國全國已建成5級及以上江河堤壩31.2×104km，累計達標堤壩21.8×104km，達標率為69.8%。其中，1級、2級達標堤壩長度為3.4×104km，達標率為80.5%。堤壩保護人口6.3億人，保護耕地4.1×104hm2。

堤壩變形是由于水的液壓、水通過堤壩及其底土的過濾作用以及堤壩材料的水化和干燥引起的[2-3]，導致抗剪強度降低，某些部位產生不均勻變形[4-5]、裂縫、下滑等，堤壩變形分為滑坡、崩岸等幾種形式。在洪水期間，在水位上升的影響下，這一過程可能還會加劇[6]。在水壓變化的條件下，變形過程的發(fā)展往往會導致堤壩的破壞。

本文針對水位高達4 m時，水壓增加和減少的情況下堤壩的數值模擬結果；并分析洪水條件下，堤壩中孔隙壓力的變化規(guī)律。同時，將數值計算的結果與堤壩監(jiān)測IT系統(tǒng)[7-8]下建造的試驗性蓄水設施內的現(xiàn)場測量結果進行了比較。

2 研究區(qū)域的特點

研究區(qū)域由208 m×58 m×4.5 m(長×寬×高)的蓄水設施形成兩段相互連接的堤壩，見圖1，該結構體積約為28.5 m3。

圖1 試驗蓄水設施位置及平面圖

堤岸坡度可變，水側為1∶2和1∶2.5，陸側為1∶2。堤壩東側為粉質黏土，西側為粉砂，過濾系數分別為1.83×10-5和5.24×10-5m/s。底土由粉質黏土和黏質砂、砂和礫石組成，與底土接觸的堤壩用不透水的膨潤土隔離。地下水條件通過鉆孔、動態(tài)和靜態(tài)探測確定。

在現(xiàn)場測量中，對水位升降對堤壩行為的影響進行模擬，并通過孔隙壓力傳感器測量水壓的變化。

3 方法論

3.1 計算方案

計算過程的示意圖見圖2。在計算中，假設水位在96 h內持續(xù)上升至4 m，并在120 h內下降。借助FLAC 2D軟件[9-10]，在平面應變狀態(tài)下進行數值模擬。選取I - I′截面和位于堤壩下部的4個監(jiān)測點，分析水位的增減對孔隙壓力變化的影響(圖1)。A點和B點位于蓄水設施東側的堤壩上，C點和D點位于蓄水設施西側的堤壩上。

3.2 物理模型

物理模型沿橫斷面I - I′制備，橫斷面貫穿試驗蓄水設施中部，見圖3。假設垂直框架高11 m，水平框架長90 m。表1為6個巖土層的材料特性，第I層對應于試驗蓄水設施東側或西側的堤壩材料，其余5層位于試驗蓄水設施的底土中。

圖2 數值模擬示意圖

圖3 沿橫截面I - I′的底土蓄水物理模型

表1 堤壩和底土層材料常數

3.3 計算模型

在計算中，采用莫爾-庫侖強度準則，建立彈塑性力學模型。在堤壩水側施加靜水壓力，堤壩的陸側允許水流。采用0.25 m的規(guī)則網格對模型進行離散，其中堤壩為0.5 m，第I-第III層為0.5 m，第IV和第V層為1 m。分析水位上升的影響：①48 h內上升至2 m；②96 h內上升至4 m；③120 h內恢復至初始狀態(tài)。

4 結果與分析

孔隙壓力、剪應力和水平位移等值線變化形式的數值模擬結果見圖4-圖6。水位上升至2 m，導致堤壩底部的孔隙壓力增加至20 kPa，見圖4(a)。在假定的洪水持續(xù)時間內，試驗蓄水設施陸側的剪應力達到-15～20 kPa，見圖4(b)。堤壩開始變形，水平位移達到7 mm，見圖4(c)。在這種情況下，堤壩中的最大水流速度為0.33 m/d。

在這些條件下，水位上升至4 m，孔隙壓力增加至40 kPa，堤壩底部的變形過程增加，見圖5(a)。在假定的洪水持續(xù)時間內，試驗蓄水設施陸側的剪應力達到-30～40 kPa，見圖5(b)。

注：黑色箭頭表示最大位移區(qū)(7 mm)。圖4 水位上升至2 m高度時堤壩內的孔隙壓力場、剪應力和水平位移

注：黑色箭頭表示最大位移區(qū)(14 mm)。圖5 水位上升至4 m高度時堤壩內的孔隙壓力場、剪應力和水平位移

在堤壩中，孔隙壓力值顯著降低至幾個kPa，這可能是由于水流速度增加至3.5 m/d。在堤壩的陸側，水平位移達到14 mm見圖5(c)。在堤壩的水側部分，觀察到剪切應力增大，達到40 kPa，見圖5(b)。

由于水位降至1 m，孔隙壓力達到20 kPa，堤壩底部的變形過程減少，見圖6(a)。在假定的洪水持續(xù)時間內，試驗蓄水設施陸側的剪應力為-15～15 kPa，見圖6(b)。在這些條件下，達到的最大位移為3 mm，見圖6(c)。堤壩內的水流速度降至約0.13 m/d，見圖6(b)。

注：黑色箭頭表示最大位移區(qū)(3 mm)。圖6 水位下降至1 m高度時堤壩內的孔隙壓力場、剪應力和水平位移

一般來說，數值模型中的孔隙壓力大致隨水位變化而增大或減小，見圖7。通過比較數值模型和現(xiàn)場試驗設施中A、B、C和D 4個監(jiān)測點的孔隙壓力變化，可以觀察到這些變化的特征是相似的，計算得到的孔隙壓力最大值與實測值基本一致。與數值模型中的堤壩響應相比，試驗堤壩僅在后期響應才會出現(xiàn)差異(差異僅出現(xiàn)在試驗堤壩的后期響應與數值模型堤壩的響應之間)(圖7)。據推測，這些差異與水流通過試驗堤壩時的過濾侵蝕效應有關。在水位下降的情況下，各監(jiān)測點的計算孔隙壓力值與實測孔隙壓力值相似。

在現(xiàn)場測量中，隨著水位由2 m上升至4 m，堤壩6個巖土層上的孔隙壓力均顯著提高。當水位下降至1 m時，孔隙壓力顯著降低。需要強調的是，水位升降時間短，限制了堤壩變形的發(fā)展。在現(xiàn)場試驗條件下，粉砂質非對稱大堤更易變形，孔隙壓力值較高，約為5～7 kPa，見圖(8)。

圖7 在數值模型和現(xiàn)場試驗中4個監(jiān)測點(A-D)在水位升高4 m時的孔隙壓力變化圖

圖8 I-VI剖面孔隙壓力變化在水位上升至2、4 m和下降至1 m的現(xiàn)場測量

5 結 論

通過水壓對堤壩影響的數值模擬結果，結論如下：

1) 在水位升高的情況下，數值模型中孔隙壓力隨時間的變化及其最大值與現(xiàn)場試驗堤壩相似。兩個堤壩的行為差異僅出現(xiàn)在試驗堤壩的后期響應與數值模型堤壩的響應之間。據推測，這些差異與水流通過實驗堤壩時的過濾侵蝕效應有關。

2) 在水位下降的情況下，各監(jiān)測點的計算和實測孔隙壓力隨時間的變化相似。

3) 在數值模型中，當水位上升至4 m高度時，最大位移發(fā)生在堤壩陸側的底部。在試驗堤壩中，觀測到該邊坡表面的出水情況，計算的剪切應力為30 ～40 kPa，水平位移增加至14 mm。

4) 研究結果表明，水位升高引起的水壓對孔隙壓力變化有顯著影響，并可能導致堤壩破壞。