水位升降速度對(duì)土石壩滲流場(chǎng)的影響分析

水位升降速度對(duì)土石壩滲流場(chǎng)的影響分析

多年來(lái)，許多科學(xué)家在河流工程理論和技術(shù)方面做出了巨大的進(jìn)步，并在工程實(shí)踐中取得了巨大的進(jìn)步。隨著人類工程活動(dòng)的深入和廣度的擴(kuò)大，不同工程過(guò)程中的滲透問(wèn)題變得越來(lái)越復(fù)雜多樣。目前代表性工程滲流問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）在節(jié)水工程中，水庫(kù)滲漏損失導(dǎo)致下游洪泛壓縮，水庫(kù)滲漏導(dǎo)致的水和滑坡災(zāi)害，以及對(duì)道路和地下設(shè)施的破壞。（2）在建筑工程中，由于排水導(dǎo)致的基礎(chǔ)邊坡坍塌，以及基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的破壞。（3）在采礦和煉油過(guò)程中，井壁發(fā)生水，井壁坍塌，井壁坍塌。（4）與排水環(huán)境有關(guān)的農(nóng)業(yè)工程中的灌流設(shè)計(jì)效率降低。（3）與排水環(huán)境有關(guān)的人事問(wèn)題、水庫(kù)蓄水引起的地震、大量地下水和采井隊(duì)、地面沉降等。（3）當(dāng)?shù)装逅蛔兏邥r(shí)，上游傾斜滑動(dòng)等問(wèn)題將發(fā)生。從上述滲流問(wèn)題可以看出,滲流對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工及安全使用具有重要影響,這部分研究工作工程效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)可以借助數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)很多工程滲流問(wèn)題進(jìn)行研究.本文設(shè)想利用非飽和非穩(wěn)定滲流計(jì)算模型,對(duì)粘土心墻土石壩水位升降引起的瞬態(tài)滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了不同水位升降速度對(duì)壩體滲流場(chǎng)分布的影響,研究了滲流引起的孔隙水壓力變化對(duì)壩前和壩后邊坡穩(wěn)定性的影響,從而為水庫(kù)管理提供決策支持.1大壩模型及工程地質(zhì)粘土心墻土石壩壩高96m,壩頂寬度為12m,上游邊坡為1∶2.5,下游邊坡為1∶1.7,心墻的坡率為1∶0.3.正常蓄水位為88.0m,正常壩后尾水位為10.0m.大壩模型如圖1所示.粘土心墻土石壩筑壩材料中砂礫石壩殼的滲透系數(shù)為22.46m/d,粘土心墻的滲透系數(shù)為0.00864m/d,分兩類工況來(lái)模擬大壩的非穩(wěn)定滲流:①水庫(kù)蓄水,上游水位上升,從0.0m分別以速度2.5、1.5m/d上升到88.0m正常蓄水水位;②水庫(kù)泄水,水位下降,上游水位從88.0m正常蓄水水位分別以速度8.0、4.0、2.0m/d下降到10.0m水位.計(jì)算所用砂礫石壩殼和粘土心墻的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)圖2和表1.2結(jié)論分析2.1水位下降速度壩殼的自由面為了解心墻土石壩在蓄泄水等工況下的滲流特性及其上下游壩坡的穩(wěn)定特性,按上節(jié)設(shè)計(jì)的計(jì)算方案對(duì)其瞬態(tài)滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,結(jié)果整理如圖3、4所示,限于篇幅不同升降速度下的計(jì)算結(jié)果不詳細(xì)羅列,圖中數(shù)字是該時(shí)間段的自由面位置.水位下降速度為8.0m/d和4.0m/d時(shí),壩殼的自由面下降得很快.當(dāng)水位下降速度為2.0m/d時(shí),壩殼的自由面相對(duì)下降速度比較平緩.不同的水位下降速度,下游壩殼中的自由面基本與下游水位保持在同一水平;心墻自由面下降變化陡且慢,對(duì)水位升降響應(yīng)遲緩得多,原因在于砂礫石壩殼滲透系數(shù)大,粘土心墻滲透系數(shù)小.雖然水位下降速度不一致,但在90d以后,自由面的變化幾乎都是一致的,相差不大.滲透系數(shù)大對(duì)水位升降敏感、響應(yīng)快,否則不敏感且影響慢.這是心墻部位自由面變化緩的原因,容易造成超靜水壓力,影響心墻穩(wěn)定性.當(dāng)水位上升時(shí),上游壩坡的自由面變化比較平緩,但心墻內(nèi)變化很陡,水基本上是從心墻內(nèi)垂直下去.上升速度不同,自由面的變化幅度相差比較大,自由面在初期變化很快.由于壩殼與心墻的滲透系數(shù)相差很大,水主要滯留在粘土心墻內(nèi),心墻在不同的水位上升速度時(shí)自由面變化比較相似,但壩殼的自由面變化相差較大,這是材料性質(zhì)差異造成的響應(yīng)快慢有別.下游壩坡的自由面變化都是緩慢上升到正常尾水位后就基本保持不變.2.2土體抗滑裂變形分析根據(jù)自由面的位置按簡(jiǎn)化原則確定孔隙水壓力,假定流場(chǎng)的等勢(shì)線垂直,某點(diǎn)的孔隙水壓力的水頭等于通過(guò)土條底部的中點(diǎn)作等勢(shì)線與自由面相交,兩點(diǎn)間的垂直高度即為土條底部上的平均孔隙水頭,計(jì)算采用Bishop提出的等效置換方法來(lái)計(jì)算有滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析,即坡外水位以下土體采用浮容重,滑裂面上的孔隙水壓力采用超靜孔壓,不計(jì)坡外的靜水壓力.在SLOPE/W軟件中通過(guò)調(diào)用SEEP/W模塊的計(jì)算結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn).2.2.1水位下降過(guò)程中壩坡穩(wěn)定性分析不同水位降速情況下的壩坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的時(shí)間空間演化過(guò)程和安全系數(shù)變化過(guò)程整理如圖5所示.由于下游面滲流場(chǎng)變化不大,水位升降對(duì)其影響均不大,因此沒(méi)有計(jì)算其各時(shí)間段安全系數(shù).計(jì)算發(fā)現(xiàn),隨著水位的下降,安全系數(shù)、最危險(xiǎn)滑動(dòng)面在空間和時(shí)間上都發(fā)生了變化,說(shuō)明水位下降會(huì)極大地改變壩坡原有的安全狀況.從圖5(a)可知,水位下降時(shí)心墻壩上游壩坡安全系數(shù)是逐漸下降的,水位下降一段時(shí)間后都有一個(gè)最小的安全系數(shù),由于水位下降速度的不同,到達(dá)最小安全系數(shù)的時(shí)間是不同的,下降速度為8m/d時(shí),水位下降9d后安全系數(shù)就到了最小值1.574,而水位降速為3、1.5m/d時(shí),安全系數(shù)達(dá)到最小值的時(shí)間分別是30d和40d,安全系數(shù)此時(shí)分別是1.727和1.728.水位降速越快,達(dá)到安全系數(shù)最小值的時(shí)間越短,安全系數(shù)最小值探底越深.從圖5(b)可知,水位下降速度不同,在各時(shí)間段內(nèi)滑弧的形狀和深度以及滑弧位置、半徑都相差很大.即使是同一下降速度,滑弧的形狀和深度都也有差異,滑弧的位置半徑變化規(guī)律不明顯,但滑弧隨自由面的下降而下降,其半徑歷時(shí)跟安全系數(shù)演進(jìn)有相類似的規(guī)律,都是在90d以后基本不再改變.2.2.2心墻壩上游邊坡安全系數(shù)不同水位升速情況下的上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果如圖6所示.分析發(fā)現(xiàn),隨著水位的爬升,安全系數(shù)、最危險(xiǎn)滑動(dòng)面在空間和時(shí)間上都會(huì)發(fā)生變化,說(shuō)明水位上升極大地改變壩坡原有的安全狀況.上游面由于坡外水體對(duì)其施加了一個(gè)外部荷載,從而有利于上游面壩坡穩(wěn)定,這與砂礫石材料物理力學(xué)性質(zhì)本身對(duì)水不敏感有關(guān).從圖6(a)可知,隨著水庫(kù)蓄水增加,心墻壩上游邊坡安全系數(shù)也是逐漸上升的,20d之前上升幅度緩慢,其后安全系數(shù)上升加速,并逐步穩(wěn)定.水位上升速度越大,安全系數(shù)爬升越快.從圖6(b)可知,滑弧的形狀和深度以及滑弧的位置都發(fā)生變化,前10d滑弧位置變化不大;水位繼續(xù)上升20～30d,滑弧的形狀和深度以及滑弧的位置都相差較大,其后變化趨緩.造成這一現(xiàn)象的原因是壩體內(nèi)的水相對(duì)壩體外水位變化有一個(gè)過(guò)程,當(dāng)水位緩慢升降時(shí),壩體內(nèi)的水可以幾乎同步升降,而水位快速升降時(shí),壩內(nèi)的水則要滯后一段時(shí)間,在水位升降空間范圍內(nèi)形成比較復(fù)雜的滲流場(chǎng)變化.水位上升可以增大飽和區(qū)的厚度,從而減小下滑力,但同時(shí)也會(huì)減小作用于潛在滑動(dòng)面上的有效正應(yīng)力而降低抗滑力,因此未必就會(huì)使邊坡更加穩(wěn)定.壩坡穩(wěn)定其實(shí)與潛在滑動(dòng)面的傾角有關(guān),在傾角較大的情況下水位上升反而會(huì)降低壩坡穩(wěn)定性.3水位下降過(guò)程中壩坡穩(wěn)定性下降,水位下降快計(jì)算了不同水庫(kù)蓄泄水工況下粘土心墻土石壩力的滲流場(chǎng),并把所得滲流場(chǎng)調(diào)入邊坡穩(wěn)定分析模型,穩(wěn)定性分析所得主要結(jié)論如下:1)水庫(kù)泄水時(shí),上游壩坡的安全系數(shù)下降探底然后回升,水位降速越快,達(dá)到安全系數(shù)最小值的時(shí)間越短,安全系數(shù)最小值探底越深.2)水庫(kù)蓄水時(shí),上游壩坡安全系