考慮土石壩壩基接觸帶性能演化的滲流穩(wěn)定分析

摘" 要：為分析土石壩在滲流及變形長期作用下壩基接觸帶性能及變化規(guī)律，基于水力耦合的分析方法，以某水庫工程不同時期得到的壩基和壩基接觸帶滲透系數(shù)，建立土石壩壩基接觸帶滲透性能與力學(xué)參數(shù)演化模型，把握壩體及壩基材料物理力學(xué)特性、滲透特性的演化規(guī)律，對水庫長期處于正常蓄水位情況下的滲流場及應(yīng)力場進行分析。研究表明，由于水流的長期滲流作用，導(dǎo)致壩基接觸帶中的土壤流失，滲透系數(shù)增大，進而導(dǎo)致通過壩坡面、兩岸山體的滲漏量增大?？紤]水力耦合對壩體變形穩(wěn)定的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在水庫運行期間，壩基接觸帶的強度是不斷降低的，接觸帶的屈服區(qū)增加，變形量不斷增大，安全系數(shù)隨運行時間的增加不斷降低。

關(guān)鍵詞：土石壩；壩基接觸帶；滲透性能；演化模型；水力耦合

中圖分類號：TU46" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0076-06

Abstract： In order to analyze the performance and variation law of dam foundation contact zone of earth-rockfill dam under the long-term action of seepage and deformation， based on the analysis method of hydraulic coupling， based on the permeability coefficient of dam foundation and dam foundation contact zone obtained in different periods of a reservoir project， the evolution model of permeability and mechanical parameters of earth-rockfill dam foundation contact zone is established， and the evolution law of physical and mechanical properties and permeability characteristics of dam body and dam foundation materials are grasped. The seepage field and stress field of the reservoir under the condition of normal water level for a long time are analyzed. The study shows that due to the long-term seepage of water flow， the soil in the contact zone of the dam foundation is lost， and the permeability coefficient increases， which leads to the increase of leakage through the dam slope and the mountains on both sides. Considering the influence of hydraulic coupling on the deformation and stability of the dam， it is found that during the operation of the reservoir， the strength of the contact zone of the dam foundation decreases， the yield zone of the contact zone increases， the deformation increases， and the safety factor decreases with the increase of running time.

Keywords： Earth-rockfill dam; dam foundation contact zone; permeability; evolution model; hydraulic coupling

土石壩壩基接觸帶指自然基礎(chǔ)與壩體填土接觸部分，重點指土石壩壩體防滲心墻與壩基防滲帷幕結(jié)合部位，壩體防滲體與壩基防滲體由于組成成分、結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性等方面差異，兩者在長期運行過程中（如庫水位漲落）時常出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)、滲漏情況各異等現(xiàn)象，造成土石壩滲漏破壞[1]。為了保證水庫大壩的安全運行和人民生命財產(chǎn)安全，需要從宏觀及微觀角度對土石壩壩基接觸帶進行破壞機理研究。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的分析軟件已逐漸完善，如GEO-STUDIO、ABAQUS、ANSYS等，國內(nèi)也有部分學(xué)者針對水力耦合進行了研究，田東方等[2]考慮了坡面徑流的影響，依據(jù)試驗結(jié)果提出了坡面徑流-非飽和土水力耦合分析方法，并編寫了對應(yīng)的有限元程序，但未考慮到滲流場對非飽和土體強度參數(shù)的影響。劉祎等[3]以平均土骨架應(yīng)力、修正吸力和溫度為應(yīng)力變量，以比體積和飽和度為應(yīng)變變量，建立了非飽和土的熱-水-力全耦合本構(gòu)模型。本文通過建立有限元法計算滲流與有限差分法計算應(yīng)力場的雙場間接耦合方法，可對特定計算參數(shù)進行公式修正，提高交替迭代過程中程序代碼的結(jié)果準確性，彌補了FLAC3D軟件對滲流場計算時，計算效率低、耗時長的缺點。

1" 土石壩壩基接觸帶水力耦合分析方法研究

1.1" 壩基接觸帶水力耦合分析方法

滲流與應(yīng)力（或變形）的耦合現(xiàn)象是客觀存在的。壩基接觸帶受到上部填筑荷載的作用必然會被壓實，孔隙度減小，而塊體之間的擠壓、研磨，可能使塊石邊緣壓裂甚至壓碎。實驗研究表明，接觸帶的滲透特性及變形特性決定于其成因、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征及厚度等。由于壩基接觸帶上、下2層土體材料性質(zhì)差異較大，具備發(fā)生管涌與流土的條件，需進行必要的防滲處理。

由于壩基接觸帶結(jié)構(gòu)松散、不連續(xù)，在水平和垂直方向有較大變化、成因類型復(fù)雜、物理力學(xué)性質(zhì)呈較大不均勻性的特點，并且壩基接觸帶在上部壩料的填筑以及大壩的蓄水過程中，其應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，粗顆粒發(fā)生擠壓、研磨，甚至出現(xiàn)尖端破裂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致接觸帶土體材料孔隙率和滲透特性發(fā)生變化。因此，接觸帶的滲透特性不僅與顆粒級配和初始碾壓狀態(tài)密切相關(guān)，還受到應(yīng)力狀態(tài)的影響[4-5]。接觸帶的滲透特性在本質(zhì)上受控于其內(nèi)部連通的孔隙率或密實度，目前還沒有提出關(guān)于壩基接觸帶一般性的耦合機制。但是從壩基接觸帶的顆粒級配上來說，壩基接觸帶主要還是以粗顆粒（粒徑）為主，可以借鑒類似堆石體耦合機制來探討接觸帶的水力耦合機制。如陳益峰等[6]通過對水布埡面板堆石壩的研究，建立了高面板堆石壩非線性變形與非穩(wěn)定滲流的水力耦合模型。

根據(jù)A.F.Gangi于1978年提出的數(shù)學(xué)模型

式中：K為滲透系數(shù)；σ為有效應(yīng)力；C0為系數(shù)，一般取2～4；k0為表層或松散狀態(tài)下材料的滲透系數(shù)，可取材料的室內(nèi)試驗值；Ek為塊石的體積模量。對于碾壓堆石結(jié)構(gòu)，不同部位的σ都是變化的，而應(yīng)力的變化將同時導(dǎo)致Ek和K的變化。

借助于多孔介質(zhì)的Kozeny-Carman 方程，則接觸帶的滲透系數(shù)k與孔隙率n之間的關(guān)系可表示為

式中：k0為接觸帶初始的滲透系數(shù)；n0為初始孔隙率。

在小變形假設(shè)條件下，根據(jù)接觸帶顆粒的質(zhì)量守恒方程，可將堆石體的孔隙率表示為體積應(yīng)變的負指數(shù)函數(shù)

n=1-（1-n）exp（-βεv）， （3）

式中：β為修正系數(shù)。當忽略接觸帶顆粒的變形時，β=1。

但為了考慮顆粒變形及尖端破裂等因素對孔隙率的影響，可根據(jù)接觸帶的級配曲線，采用2009年周偉等建立的隨機散粒體不連續(xù)變形模型，通過數(shù)值模擬給出接觸帶在不同圍壓條件下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變和孔隙率-體積應(yīng)變等關(guān)系曲線，從而得到接觸帶與圍壓的最佳擬合公式。

1.2" 壩基接觸帶水力耦合計算過程

在雙場耦合分析方面，目前大致有2類方法：一是將兩場分開計算，然后通過兩場的交叉迭代達到耦合的目的，即間接耦合法；二是建立以應(yīng)力場和滲流場為未知量的數(shù)學(xué)模型，通過直接求得解答達到完全耦合的目的，即直接耦合法[7]。本文采用迭代法即間接耦合法，滲流場和應(yīng)力場耦合分析計算主要內(nèi)容為：分別進行初始的滲流場與應(yīng)力場，將滲透力與應(yīng)力場疊加，確定新的滲流場與應(yīng)力場，循環(huán)迭代直至滿足收斂條件，具體流程如圖1所示。

2" 研究區(qū)域與資料分析

2.1" 工程概況

本項目以湖南省某水庫為例，開展對土石壩壩基接觸帶的一系列研究。該水庫大壩為土壩，最大壩高為15 m，壩頂高程為159.5 m，水庫正常蓄水位為157.8 m，死水位為145.5 m，是一座?。?）型水利工程。

2.2" 壩基接觸帶性能演化

2.2.1" 壩基接觸帶滲透性能演化

根據(jù)該水庫以往的現(xiàn)場地質(zhì)勘測工作，以有限的資料進行相應(yīng)的分析歸納，近似采用一次函數(shù)對材料的滲透系數(shù)演化規(guī)律進行擬合，壩基接觸帶的滲透系數(shù)隨時間的變化規(guī)律曲線及相應(yīng)擬合曲線如圖2所示。

壩基接觸帶滲透系數(shù)隨時間變化的擬合曲線方程為

k=1.179×10-5 t-0.023， （4）

式中：k為滲透系數(shù)；t為年份。

2.2.2" 壩基接觸帶力學(xué)參數(shù)演化

整理該水庫大壩歷年地質(zhì)勘測資料后，發(fā)現(xiàn)壩基接觸帶材料的黏聚力與摩擦角均隨時間增加而降低，但因地質(zhì)勘測資料較少，難以看出規(guī)律。但借鑒均質(zhì)土壩黏聚力與摩擦角隨時間變化規(guī)律并將其歸納后，可以認為壩基接觸帶材料力學(xué)性能將隨時間推演至某一收斂值。

由于壩基接觸帶土體材料長期處于浸潤線以下，水的流動帶走部分土體顆粒，導(dǎo)致土體內(nèi)部顆粒重排，壩基接觸帶的土體結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定程度變化。

根據(jù)歷史監(jiān)測資料，反算相關(guān)折減系數(shù)，改變折減系數(shù)逐次計算，直至當折減系數(shù)到達某一值時，當年測點沉降計算值將極其貼近于監(jiān)測值。將反演得到的折減系數(shù)隨時間變化進行函數(shù)擬合，擬合曲線如圖3所示。

擬合表達式

k=1.00-0.012 57（t-2 000），2 000?t 。 （5）

2.3" 滲流及穩(wěn)定性分析

2.3.1" 有限元模型

通過收集該水庫主壩壩區(qū)的地質(zhì)地貌、水文信息等，依據(jù)樞紐布置方案，建立包括左岸山體，右岸條形山及主壩部分的地形地貌創(chuàng)建三維可視化模型。其中，以主壩壩軸線為x軸，垂直壩軸線方向為y軸，高程作為z軸。有限元模型共有單元177 241個，節(jié)點97 592個。有限元模型范圍如下：①取大壩上游邊界距壩軸線垂直距離約87 m，大壩下游側(cè)邊界距壩軸線垂直距離約84 m；②模型最低高程取正常蓄水位157.8 m以下約48 m，模型底部高程約為110 m；③整個計算模型上、下游邊界相距約244 m，左邊界相距大壩中心線121 m，右邊界相距123 m。主要模型如圖4所示。

2.3.2" 計算參數(shù)及計算條件

本文選取水庫工程三維滲流分析模型以大壩和壩基滲控設(shè)計方案為主要參考依據(jù)，在三維有限元模型中，滲流計算模型范圍：XY 245.48 m×172.09 m。模型中水工建筑物包括主壩壩體、排水棱體、防滲墻及防滲帷幕。

該水庫模型邊界條件設(shè)置為：①上游壩面前庫水淹沒區(qū)、上游水位以下的上游壩面節(jié)點及上游水位下兩岸山體區(qū)域取上游定水頭邊界；②下游土石壩壩體、排水棱體及兩岸山體處等在下游水位以下的表面節(jié)點取下游定水頭邊界；③模型頂部未被水浸潤區(qū)域設(shè)置為溢出邊界；④模型底部邊界取隔水邊界。

本文中水庫滲流場計算均取其正常運行工況時水位，上游運行水位為157.8 m，下游無水。根據(jù)滲流場分析結(jié)果，針對正常運行工況下開展壩區(qū)典型工況滲流場特性分析。為了更直觀地展示壩區(qū)滲流場的規(guī)律，選取了壩區(qū)中心剖面進行滲流計算成果的展示。計算參數(shù)見表1。

2.3.3" 滲流計算成果分析

1）原始滲流場規(guī)律。

采用表1所示滲透系數(shù)對水庫壩體及壩基三維整體滲流場進行計算，計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在主壩的典型剖面段，自由面呈逐步降低趨勢，自由面在壩體自上游向下游有一次明顯的急劇下降段，由于壩體存在沖抓回填與灌漿帷幕，自由面在帷幕處急劇下降，說明帷幕防滲效果十分顯著，其他部分相對平緩，在下游排水棱體處水位下降有所加快，排水棱體有效地降低了浸潤線。下游壩坡在高程145.3 m左右出現(xiàn)滲流溢出點。從圖中還可以看出，自由面在壩體內(nèi)部的分布特征完全滿足光滑連續(xù)和單調(diào)下降這2個基本幾何性質(zhì)，因而滲流計算成果在理論上是正確的。

在水庫正常蓄水位作用下，最大滲透坡降出現(xiàn)在防滲帷幕處，達到6.48；在排水棱體處滲透坡降達到了0.72左右；大壩內(nèi)部其他地方及地層內(nèi)的滲透坡降均小于0.4。

2）壩基接觸帶滲透性能演化計算分析。

采用公式（4）對壩基接觸帶進行演化分析，相關(guān)計算結(jié)果見表2。

從表中可以看出，隨著運行時間的增加，通過壩坡、山體左右岸的滲漏量都有一定程度的增加，這是因為在水庫運行的過程中，由于滲流的作用，壩基接觸帶內(nèi)的土壤細顆粒隨水流緩慢流失，導(dǎo)致滲透系數(shù)增大，進而引起滲漏量的增大。圖6是水庫運行不同時間階段典型剖面的滲透坡降矢量圖，從圖中可以看出，隨著水庫運行時長的增加，最大滲透坡降值不斷增加，漲幅約1.2%。

2.4" 變形穩(wěn)定計算成果分析

2.4.1" 計算參數(shù)及計算條件

在本次計算過程中，選擇了FLAC3D中內(nèi)置的Mohr-Coulomb模型。開展計算時，因模型四周均位于山體中，故在四周邊界施加法向約束，模型底部在Z=110 m施加固定約束。值得注意的是，本文應(yīng)力變形計算以水庫建成蓄水后為初始狀態(tài)，計算的大壩變形均為蓄水后的累積變形。

2.4.2" 應(yīng)力計算成果分析

圖7為水庫長期處于正常蓄水位條件下的不同階段下的塑性區(qū)分布圖，隨著運行時間的增加，壩基接觸帶上的塑性屈服區(qū)由中心向上下游不斷增加的，這是由于壩基接觸帶的細部顆粒在滲流的作用下不斷流失，導(dǎo)致壩基接觸帶的強度不斷下降。

圖8為水庫長期處于正常蓄水位條件下的不同階段下的最大剪切應(yīng)變增量圖。從水庫開始運行至水庫運行15年，通過FLAC3D自帶強度折減法計算得出水庫壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由1.98降至1.793，降低幅度約為9.4%。

2.5" 小結(jié)

通過對土石壩壩基接觸帶漸進破壞機理與安全控制措施進行研究，基于水力耦合分析方法，以某水庫工程為例，建立了壩基接觸帶性能演化模型。主要結(jié)論如下：

1）水庫長期處于正常蓄水位情況，由于水流的長期滲流作用，導(dǎo)致壩基接觸帶中的土壤流失，滲透系數(shù)增大，進而導(dǎo)致通過壩坡面、兩岸山體的滲漏量增大。

2）考慮水力耦合對壩體變形穩(wěn)定的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在水庫運行期間，壩基接觸帶的強度是不斷降低的，接觸帶的屈服區(qū)增加，變形量不斷增大，最大變形量為6.966 mm，心墻以下接觸帶出現(xiàn)少許應(yīng)力集中范圍，最大壓應(yīng)力為1.344 MPa。

3）計算所得壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨運行時間的增加不斷降低，由1.98降至1.793，降低幅度約為9.4%。

3" 結(jié)論

目前針對土石壩壩基接觸帶安全控制措施較多，主要以各類防滲墻、灌漿防滲及土工合成材料防滲等垂直防滲為主。采取此類防滲措施，一般不需要放空水庫。反之，如果采取水平防滲措施，則必須放空水庫，才能徹底進行。而水庫長期蓄水后，總會有些淤積，給水平防滲處理帶來一定的困難；在保持壩基滲透穩(wěn)定和截滲方面，水平防滲也不如垂直防滲徹底。

在實際工程中，通常采用的垂直防滲措施有混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿、垂直鋪塑、深層攪拌樁防滲墻、充填灌漿和帷幕灌漿等。加固處理設(shè)計時應(yīng)考慮不同的壩基接觸帶滲漏嚴重程度、接觸帶的破壞形式、當?shù)夭牧虾褪┕l件等因素，采取一種或多種處理方法相結(jié)合的防滲處理措施。

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