蘇正洋，張凱,2*，孟穎,2，焦?jié)?/p>

(1 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2 水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029；3 河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 南京 210098)

在水庫(kù)運(yùn)行過程中，庫(kù)水位的變動(dòng)[1-2]、強(qiáng)降雨等極端天氣[3-4]可能會(huì)導(dǎo)致土石壩壩身產(chǎn)生一些病險(xiǎn)問題，如邊坡失穩(wěn)[5-6]、滲透破壞[7-8]等。研究[9-10]表明庫(kù)水位變動(dòng)與降雨是導(dǎo)致土石壩壩坡失穩(wěn)的重要誘因。通常庫(kù)水位驟升和驟降的變動(dòng)是影響土石壩安全穩(wěn)定的直接原因[11]，而降雨主要是影響壩體土體的含水率，進(jìn)而使壩體的基質(zhì)吸力發(fā)生變化[12-13]，使土體抗剪強(qiáng)度降低，從而影響壩坡穩(wěn)定。

對(duì)庫(kù)水位變動(dòng)、降雨及相應(yīng)的滲流穩(wěn)定性分析，國(guó)內(nèi)外研究者開展了大量有益的工作。張繼勛等[14]研究不同降雨類型對(duì)淺層及深層滑動(dòng)面滲流特性及邊坡穩(wěn)定性的影響；郁舒陽(yáng)[15]基于Fredlund & Xing參數(shù)分析了不同降雨類型對(duì)邊坡滲透穩(wěn)定性的影響；崔潔[16]研究了不同水位升降速度下水庫(kù)右岸邊坡土體穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律，并提出要合理控制水位升降速度。至今，關(guān)于土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定性的研究已較多，但主要集中于庫(kù)水位驟降或不同降雨類型單因素影響下的滲流和穩(wěn)定性分析等方面，較少考慮水位變動(dòng)和不同降雨類型的耦合作用，對(duì)庫(kù)水位變動(dòng)(包括驟升和驟降)、不同的庫(kù)水位變動(dòng)速率、不同降雨類型等多因素影響下的滲流穩(wěn)定耦合分析研究較少[17-18]。

土石壩的安全穩(wěn)定問題關(guān)系到庫(kù)區(qū)周圍及下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，尤其實(shí)際工程在運(yùn)行過程中，遭遇一些復(fù)雜工況條件，如庫(kù)水位變動(dòng)聯(lián)合不同類型降雨，此時(shí)土石壩能否正常運(yùn)行、其壩坡安全穩(wěn)定特性是否滿足要求需進(jìn)行專門研究，因此，本文研究以某大二型水庫(kù)工程一副壩為例，對(duì)壩體在滲流應(yīng)力耦合狀態(tài)下遭遇庫(kù)水位變動(dòng)聯(lián)合不同類型降雨時(shí)的滲流和壩坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行有限元模擬，針對(duì)不同驟升、驟降速率聯(lián)合不同降雨類型進(jìn)行耦合分析，以揭示庫(kù)水位變動(dòng)聯(lián)合不同類型降雨對(duì)中小型土石壩上下游壩坡穩(wěn)定性影響的規(guī)律，為土石壩在復(fù)雜工況下的運(yùn)行管理提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 壩體概況

該工程一副壩位于主壩左岸，為粘土斜墻石渣壩;壩頂高程484.68 m，最大壩高30.5 m，壩頂寬7.0 m，壩頂軸線長(zhǎng)162.0 m，壩頂迎水面設(shè)置1.0 m高漿砌條石防浪墻，墻頂高程485.68 m;迎水面壩坡1∶2.5，背水面壩坡1∶2.5；壩體填筑主要分為粘土防滲區(qū)、過渡區(qū)和石渣填筑區(qū)等。其典型剖面分區(qū)如圖1所示。

圖1 壩體典型剖面分區(qū)示意圖

1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)一副壩壩體的情況見圖2，其中，圖2a為壩體上游坡，圖2b為下游壩面滲水處，圖2c為上游風(fēng)化護(hù)坡，圖2d為壩頂裂縫。該副壩壩體主要情況如下：上游坡面采用六棱塊護(hù)坡，風(fēng)化嚴(yán)重，雜草叢生；下游為草皮護(hù)坡，有兩處大面積的散浸，局部塌陷明顯，滲水處存在不均勻沉降現(xiàn)象；壩頂下游側(cè)條石欄桿共75根，有71根均有不同程度的豎向裂縫，僅4根外觀完好。壩體裂縫集中在滲水壩段壩頂，最大縫寬18 mm；5 m寬的壩頂出現(xiàn)5條平行裂縫。

圖2 壩體現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖

2 數(shù)值模型

2.1 飽和-非飽和滲流計(jì)算理論

基于非飽和土達(dá)西定律及多孔介質(zhì)滲流連續(xù)方程得到以壓力水頭表示的飽和-非飽和微分方程為：

(1)

式(1)中，kijs為飽和滲透張量，kr為相對(duì)透水率，hc為壓力水頭，Q為源匯項(xiàng)，C(hc)為容水度，n為孔隙率，Ss為單位貯水量，θ為與壓力水頭相關(guān)的函數(shù)。

2.2 模型及邊界條件

所建數(shù)值模型地基從弱風(fēng)化層底部取至不透水層，深度為40.6 m；上游壩坡ab設(shè)為庫(kù)水位變動(dòng)邊界，下游水位邊界為fgh，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)資料，下游無(wú)水；bcde、aigh設(shè)置為不透水邊界。

假定壩體應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，壩體破壞服從摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，然后考慮耦合作用，由SEEP/W模塊分析壩坡初始水位穩(wěn)態(tài)滲流，得到初始滲流場(chǎng)，然后將該滲流場(chǎng)作為SIGMA/W模塊原位的上級(jí)目錄模擬壩坡初始應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)不同工況下初始滲流場(chǎng)和初始應(yīng)力場(chǎng)，設(shè)置模型邊界條件，在SIGMA/W模塊中同時(shí)求解滲流方程和平衡方程，算得滲流應(yīng)力耦合分析結(jié)果，便可確定壩體滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合效應(yīng)。

本文研究穩(wěn)定計(jì)算采用Bishop法，考慮了土體的非飽和強(qiáng)度。計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如下圖3所示，模型網(wǎng)格一共剖分為2 973個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 849個(gè)單元。

圖3 有限元網(wǎng)格剖面示意圖

2.3 計(jì)算參數(shù)及工況選取

在壩體滲流和壩坡的穩(wěn)定性分析中，考慮降雨入滲時(shí)其壩體浸潤(rùn)線隨著庫(kù)水位變動(dòng)出現(xiàn)滯后特征，庫(kù)水位變動(dòng)越快，則滯后特征越明顯，此時(shí)土體基質(zhì)吸力亦發(fā)生變化，其壩體的非飽和強(qiáng)度也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響到壩坡穩(wěn)定。本文研究考慮土水耦合作用，針對(duì)不同工況下壩體不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓及上下游壩坡安全系數(shù)進(jìn)行分析。

針對(duì)驟升和驟降2種工況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)降雨資料選擇水位變動(dòng)速率分別為0.5、1、2 m/d，降雨類型分別為前鋒型、中鋒型、平均型、后鋒型、無(wú)雨型5種，然后進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。

數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)水庫(kù)工程地勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)綜合確定，壩體分區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)見表1，計(jì)算工況見表2，前鋒型、中鋒型、平均型、后鋒型4種降雨歷程見圖4。

表1 壩體物理性質(zhì)指標(biāo)與力學(xué)參數(shù)表

表2 壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算工況表

圖4 降雨歷程圖

2.4 滲流特性分析

本文研究在壩體上游坡的上部和下部各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在下游坡的上部和下部同樣各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別編號(hào)為1、2、3、4，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖見圖3。本文中在相同庫(kù)水位變動(dòng)工況下僅給出2 m/d驟降、1 m/d驟升工況孔壓變化，相同降雨類型不同庫(kù)水位變動(dòng)速率工況下給出后鋒型、前鋒型和無(wú)雨型時(shí)孔壓變化。不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同庫(kù)水位升降速率、不同降雨類型下孔壓變化如圖5、圖6所示。

由圖5～7可知：

圖5 2 m/d驟降工況聯(lián)合不同降雨類型下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔壓變化圖

圖6 1 m/d驟升工況聯(lián)合不同降雨類型下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔壓變化

圖7 相同降雨類型、不同庫(kù)水位變化速率下監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔壓變化

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1孔壓的變化及分析。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1在不同的庫(kù)水位驟變速率及不同類型降雨下，水位驟降時(shí)其孔壓值先以相對(duì)較快速度減小，后在水位穩(wěn)定時(shí)以較慢速度減小，最終趨于穩(wěn)定。水位驟升時(shí)，孔壓先以較快速度增大，后在水位穩(wěn)定時(shí)以較慢速度增大，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)庫(kù)水位驟變速率相同時(shí)，不同的降雨類型變化對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的孔壓變化影響較??；當(dāng)降雨類型相同時(shí)，不同的庫(kù)水位驟變速率對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的孔壓變化影響較大。庫(kù)水位下降速率越大，則監(jiān)測(cè)點(diǎn)1孔壓降低的時(shí)間越提前；庫(kù)水位上升速率越大，孔壓上升時(shí)間越提前，這亦與現(xiàn)實(shí)情況相符合，當(dāng)庫(kù)水位驟降速率越大時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位于上游壩踵處，孔壓開始降低的時(shí)間就越早，從側(cè)面亦說(shuō)明本文研究的有限元模擬結(jié)果與實(shí)際較為吻合。

由上述結(jié)果及分析可知：監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處孔壓變化對(duì)庫(kù)水位驟變速率較為敏感，對(duì)有無(wú)降雨及降雨類型變化不敏感。

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的孔壓變化及分析。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)2孔壓在水位驟降時(shí)孔壓基本保持緩慢降低趨勢(shì)，但降低幅度相對(duì)較小，有雨時(shí)孔壓比無(wú)雨時(shí)孔壓略大，水位驟升時(shí)孔壓先穩(wěn)定不變，待水位高度超過監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程時(shí)，孔壓開始緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)庫(kù)水位驟變速率相同時(shí)，不同的降雨類型變化對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的孔壓變化影響較小，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處孔壓對(duì)有無(wú)降雨及降雨類型變化不敏感；當(dāng)降雨類型相同時(shí)，不同的庫(kù)水位驟變速率對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的孔壓變化影響較大，說(shuō)明孔壓對(duì)庫(kù)水位變化速率較敏感。水位驟降時(shí)，驟降速率越大，則前期孔壓變化得越快，孔壓趨于穩(wěn)定的時(shí)間也越快，但不同的庫(kù)水位驟降速率下，最終穩(wěn)定時(shí)的孔壓值趨近于一致。水位驟升時(shí)，前期監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位于水位上方，孔壓在降雨作用下會(huì)有緩慢的上升，驟升速率越大，水位超過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻就越早，則孔壓開始增大的時(shí)間越快，但不同的庫(kù)水位驟升速率下，最終穩(wěn)定時(shí)的孔壓值趨近于一致。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2在有雨和無(wú)雨2種工況下變化趨勢(shì)大致相同可知：上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓變化對(duì)降雨不敏感。

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的孔壓變化及分析。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位于壩體下游坡上部，降雨類型相同而庫(kù)水位驟變速率不同時(shí)，驟升驟降工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處孔壓變化趨勢(shì)幾乎不變，均呈現(xiàn)先穩(wěn)定不變后緩慢上升趨勢(shì)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處孔壓對(duì)庫(kù)水位變化模式(驟升或驟降)及庫(kù)水位驟變速率不敏感。庫(kù)水位驟變速率相同而降雨類型不同條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的孔壓有所改變，有雨和無(wú)雨工況變化差異較大，無(wú)降雨時(shí)孔壓基本保持穩(wěn)定不變，因?yàn)闆]有降雨入滲過程。水位驟變模式相同而降雨類型不同時(shí)，不同的降雨類型下監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處孔壓開始上升的時(shí)間不同，前鋒型降雨孔壓開始上升的時(shí)間最快，其次分別是平均型、中鋒型、后鋒型，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處孔壓對(duì)有無(wú)降雨及降雨類型的變化較為敏感。

(4)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的孔壓變化及分析。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)4位于壩體下游坡下部，在降雨類型相同而驟變速率不同時(shí)，孔壓整體變化基本相同，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處孔壓對(duì)庫(kù)水位變化不敏感。庫(kù)水位驟變速率相同而降雨類型不同條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的孔壓有所改變，有雨和無(wú)雨工況變化差異較大，有雨時(shí)孔壓變化趨勢(shì)大致為先緩慢下降后緩慢上升，最后趨于穩(wěn)定。無(wú)雨驟降工況時(shí)孔壓先緩慢降低后逐漸保持穩(wěn)定，無(wú)雨驟升工況時(shí)孔壓先緩慢上升后逐漸保持穩(wěn)定；水位驟變速率越快，則趨于穩(wěn)定的時(shí)間越快。說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處孔壓變化對(duì)庫(kù)水位驟降速率及有無(wú)降雨敏感，但對(duì)降雨類型變化不敏感。

2.5 穩(wěn)定性分析

結(jié)果(圖8)顯示：

圖8 相同庫(kù)水位驟降速率、不同降雨類型安全系數(shù)的變化

(1)驟降工況。

庫(kù)水位驟降時(shí)，上游坡安全系數(shù)先以較快速度減小后緩慢增大較小幅度，最后趨于穩(wěn)定。驟降速率越大，則安全系數(shù)開始下降時(shí)的速度就越快，最終趨于穩(wěn)定的時(shí)間越提前。降雨類型變化對(duì)壩坡安全系數(shù)有一定影響，水位降落期上游壩坡的安全系數(shù)對(duì)有無(wú)降雨及降雨類型的變化不敏感，在水位降落過程完成后，上游壩坡的安全系數(shù)對(duì)有無(wú)降雨較為敏感，但對(duì)降雨類型的變化不敏感，不同降雨類型下的安全系數(shù)變化差異較小。

下游坡的安全系數(shù)先緩慢增大，后開始以較快速度減小。先增大是由于存在水壓卸載過程，后以較快速度減小且速度大小為前鋒型>平均型>中鋒型>后鋒型>無(wú)降雨，此時(shí)降雨導(dǎo)致壩體土體含水率變大，使土體基質(zhì)吸力降低，進(jìn)而導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，且在壩體表面形成反向滲流場(chǎng)，會(huì)降低壩體的安全系數(shù)。無(wú)降雨時(shí)，安全系數(shù)減小幅度很小，存在降雨時(shí)安全系數(shù)減小幅度較大，說(shuō)明此時(shí)降雨對(duì)下游壩坡的安全系數(shù)產(chǎn)生顯著影響。不同類型的降雨對(duì)下游壩坡安全系數(shù)影響不同，數(shù)值模擬的安全系數(shù)大小規(guī)律是前鋒型>平均型=中鋒型>后鋒型>無(wú)降雨。隨著降雨持續(xù)進(jìn)行，下游壩坡最終安全系數(shù)有雨工況趨于一致，均小于無(wú)雨工況安全系數(shù)，這與實(shí)際的壩體含水率變化一致，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

(2)驟升工況。

庫(kù)水位驟升時(shí)，上游坡安全系數(shù)先以較快速度增大，后緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定。驟升速率越大，則同一種降雨類型下的安全系數(shù)開始增大的時(shí)間越提前，有無(wú)降雨及降雨類型的變化對(duì)上游壩坡的安全系數(shù)變化影響較小。上游坡安全系數(shù)達(dá)到最大值的時(shí)間越快，是由于水壓增載過程快，最終趨于穩(wěn)定的安全系數(shù)值較為一致，說(shuō)明庫(kù)水位的變動(dòng)對(duì)上游坡的影響較大；后期庫(kù)水位穩(wěn)定后，降雨仍持續(xù)時(shí)壩坡的安全系數(shù)基本保持不變，說(shuō)明不同類型降雨對(duì)上游坡安全系數(shù)影響較小。

庫(kù)水位驟升、有無(wú)降雨及降雨類型的變化對(duì)下游壩坡都有影響，降雨的前期安全系數(shù)幾乎變化一致，有無(wú)降雨以及降雨類型對(duì)下游壩坡安全系數(shù)的影響無(wú)顯著差異，5～7天后下游壩坡安全系數(shù)變化出現(xiàn)差異，均開始降低。在水位上升期庫(kù)水位驟升產(chǎn)生影響主要體現(xiàn)在驟升速率越大，則相同降雨類型時(shí)下游坡安全系數(shù)開始緩降速度就越快，趨于穩(wěn)定的時(shí)間越提前，有無(wú)降雨及降雨類型的變化影響主要體現(xiàn)在水位上升到正常蓄水位之后的穩(wěn)定階段，有無(wú)降雨及不同降雨類型的安全系數(shù)大小在穩(wěn)定階段前期變化速率為前鋒型>中鋒型>平均型>后鋒型>無(wú)降雨，穩(wěn)定階段后期為中鋒型>平均型>后鋒型>前鋒型>無(wú)降雨，其中平均型降雨和后鋒型降雨對(duì)下游壩坡安全系數(shù)影響差異較小。

3 結(jié)論

(1)上游壩坡底部孔壓變化對(duì)庫(kù)水位驟變速率較為敏感，對(duì)有無(wú)降雨及降雨類型變化不敏感；上游壩坡中上部孔壓變化對(duì)庫(kù)水位驟變速率較為敏感，但敏感程度低于底部，其孔壓變化對(duì)有無(wú)降雨及降雨類型變化亦不敏感。

(2)下游壩坡中上部孔壓對(duì)庫(kù)水位變化模式(驟升或驟降)及庫(kù)水位驟變速率不敏感，對(duì)有無(wú)降雨及降雨類型的變化較為敏感；下游壩坡底部孔壓對(duì)庫(kù)水位驟降速率及有無(wú)降雨敏感，但對(duì)降雨類型變化不敏感。

(3)庫(kù)水位驟降時(shí)，上游坡安全系數(shù)先以較快速度減小后緩慢增大較小幅度，最后趨于穩(wěn)定。有無(wú)降雨及降雨類型的變化對(duì)上游壩坡安全系數(shù)變化的影響較小，庫(kù)水位的變動(dòng)對(duì)上游坡的影響較大。下游坡的安全系數(shù)先緩慢增大，后開始以較快速度減小。不同類型的降雨對(duì)下游壩坡安全系數(shù)影響不同，數(shù)值模擬的安全系數(shù)大小規(guī)律是前鋒型>平均型=中鋒型>后鋒型>無(wú)降雨。

(4)庫(kù)水位驟升時(shí)，上游坡安全系數(shù)先以較快速度增大，后緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定。有無(wú)降雨及降雨類型的變化對(duì)上游壩坡安全系數(shù)變化的影響較小，庫(kù)水位的變動(dòng)對(duì)上游坡的影響較大。庫(kù)水位驟升、有無(wú)降雨及降雨類型的變化對(duì)下游壩坡都有影響，其中降雨對(duì)下游坡安全系數(shù)影響更大。