粘土心墙坝库水位骤降偶遇不同类型降雨上下游坝坡渗流与稳定数值模拟

林 呀

(浙江同济科技职业学院 建筑工程系,杭州 311231)

降雨-库水位耦合是土石坝重要致灾诱因[1-2],其对坝坡的影响主要在于：1)降雨减小土体有效应力及抗剪强度[3-4],从而导致坝坡滑动失稳;2)库水位骤降会导致坝坡内部的浸润线存在一个“滞后”作用,渗流

563200394@qq.com力指向坝坡外[5-6],同时,上游水位的水压卸载也是引起坝坡失稳的重要因素[7-8].

降雨-库水位耦合作用规律及作用机理方面,国内外学者做了大量的研究.试验方面,苗发盛[9]对库水位变动边坡失稳规律进行了试验;李卓[10]对降雨-库水位耦合机制展开室内试验;占清华[11]对软弱夹层边坡的失稳规律进行试验分析.数值模拟方面,胡致远等[12]对三峡库区降雨-库水位耦合进行了数值模拟研究;张少琴等[13]利用Geo-studio对三峡某库区不同库水位骤降速率以及降雨工况组合进行了分析;张桂荣等[14]对三峡库区滑坡稳定性进行了数值评价.纵观国内外研究,很少有涉及库水位骤降联合不同类型降雨条件下的粘土心墙坝上下游坝坡稳定性研究,对不同类型降雨发生在库水位骤降的不同时刻的情况更是鲜有提及,事实上,库水位骤降时间较长,在库水位骤降过程中完全有可能发生降雨,而对降雨发生在库水位骤降的不同时刻坝坡的渗透稳定特性却是没有一个明确的认识.

本文为全面研究降雨-库水位耦合情况,以宜春某心墙坝为例,系统进行了库水位与降雨耦合工况的数值模拟分析.

1 计算模型与边界条件

选择宜春市温汤河四方井水利枢纽工程粘土心墙坝的典型剖面为例,计算模型如图1所示,地基厚度选取50 m,模型水平长度为300 m.计算模型网格图如图2所示,整个模型一共划分为4 235个单元,4 183个节点.边界条件如下：bcde为正常蓄水与死水位边界;efgh为降雨入渗边界;hi为自由渗出边界;ab,ak,ij为自由渗出边界,jk为不透水边界.

图1 计算模型

图2 模型网格

2 计算参数

粘土心墙坝的各分区参数根据野外勘测及室内试验进行综合确定,力学参数见表1,土水特征曲线如图3所示.

表1 坝体材料力学参数

图3 土水特征曲线

3 计算工况

阐明库水位-降雨耦合机理,对库水位骤降速率分别为0.5、1、1.5 m/d结合不同类型降雨进行系统的数值仿真分析,不同工况组合见表2,降雨时程曲线如图4所示.

表2 计算工况

图4 降雨历程曲线

4 计算结果分析

4.1 工况1

4.1.1 孔压变化规律

不同监测点的孔压变化如图5所示.由图5可见,随着库水位的下降,不同监测点的孔压先减小后稳定,最终库水位(0.5,1,2 m/d)下降速率的孔压几乎一样.同时,不同监测点在库水位骤降下的孔压变幅不同,不同监测点的孔压变幅分别为275、260、70、25 kPa,可见上游的孔压降幅整体上要大于下游.

4.1.2 安全系数变化规律

不同库水位下降速率下的安全系数变化规律如图6所示.由图6可见,上游坝坡与下游坝坡的安全系数的变化规律也不同,上游坝坡安全系数随时间呈现不断下降的趋势,而上游坝坡则单调递增,上游坝坡安全系数先降后升.对于下游坝坡,库水位下降速率越快,安全系数在前期上升的越快,然而,最终的安全系数则趋于一致.上游坝坡的安全系数整体上要大于下游坝坡.

图6 安全系数变化规律

4.2 工况2

4.2.1 孔压变化规律

正常蓄水位联合不同类型降雨条件下的不同监测点的孔压变化规律如图7所示.由图7可见,不同监测点的孔压变化规律较为一致,即在降雨时刻孔压呈现一个突然的上升,随后快速下降至原值.不同类型的降雨影响了上1,上2以及下2监测点孔压达到最大时刻的先后顺序且降雨的锋值发生的越晚,所能达到的最大孔压值越大.而对于下1监测点来说,孔压到达最大时刻的先后顺序与其他监测点的顺序一致,然而所能达到最大孔压值不同类型降雨差异则不大.

图7 孔压变化规律

对于不同的安全系数升幅来说,上游坝坡处的监测点的孔压升幅总体上要小于下游坝坡,同时,同一坝坡的上部监测点的孔压升幅要大于下部监测点.4.2.2 安全系数变化规律

图8 安全系数变化规律

不同工况下的上下游坝坡安全系数变化规律如图8所示.由图8可见,上下游坝坡的安全系数变化规律较为一致,均呈现在降雨过程中急剧下降,而在降雨结束后快速上升最后呈现不变的规律.不同类型降雨条件下,最小安全系数出现时刻的先后顺序分别是前锋型,中锋型,平均型以及后锋型.

4.3 工况3

4.3.1 孔压变化规律

不同监测点的孔压变化规律如图9所示.由图9可见,上下游坝坡的孔压变化存在巨大差异.上游坝坡监测点孔压变化的主控因素为库水位变化.总体孔压单调下降;下游坝坡孔压则出现大幅上升情况,值得注意的是,不同类型降雨的最大孔压不同.

图9 孔压变化规律

4.3.2 安全系数变化规律

上下游坝坡安全系数的变化规律如图10所示.对于上游坝坡来说,降雨相对库水位而言越靠后,最小安全系数越小,不同类型降雨下,变化规律则类似,但数值略有差异.对于下游坝坡来说,安全系数单调递增,降雨使得安全系数陡然下降,降雨峰值越前,最低安全系数越早出现.

图10 安全系数变化规律

5 结 论

1)库水位骤降下孔压先减小后不变,下降速率与孔压降幅成正比.

2)正常蓄水位加不同类型降雨条件下在降雨时刻孔压呈现一个突然的上升,随后快速下降至原值,不同类型降雨使得孔压峰值大小与孔压到达最大的时间不同;安全系数在降雨过程中急剧下降,而在降雨结束后快速上升最后呈现不变,上游坝坡的安全系数在不同类型降雨下的安全系数整体上要大于下游坝坡.

3)降雨类型耦合库水位骤降工况发生在库水位骤降不同时刻下上游监测点孔压变化对上游坝坡监测点不敏感,而对下游坝坡监测点孔压敏感,安全系数在降雨发生时刻有个突然下降的过程.