库水位升降条件下土坝渗流特征及稳定性分析

姚建新，姚 丹，史箫笛，程梦武，况 丽

(湖北省地质局第八地质大队,湖北 襄阳 441000)

土坝因其造价低、对地质环境条件要求低而广泛存在于平原区,一些修建于二十世纪五六十年代的土坝,局限于经济、技术等条件,现许多已进入“带病”运行阶段,因此有必要对其进行安全性评估[1-4]。渗流是威胁土坝安全的主要因素之一,库水位的升降使得坝体内孔隙水压力及渗流场处于动态变化中,影响土体抗剪强度参数,进而影响坝体稳定性。

随着非饱和土力学及有限元法的发展与完善,对于库水位升降条件下大坝渗流特征分析及稳定性评价,已有诸多学者开展了许多卓有成效的工作,如许玉景等[5]将ANSYS有限元软件的温度场分析功能应用于渗流场的分析,解决了土坝渗流问题的求解;张兴胜等[6]针对土坝通过分析渗流侵蚀机制,建立土体内部渗流侵蚀本构及控制方程,给出渗流侵蚀引起的土体结构强度损伤关系;王开拓等[7]以20世纪修建的某均质土坝为例,分析了不同水位条件下坝体内部的浸润线特征及稳定性,表明大坝渗漏问题严重,上游坝坡在各水位条件下趋于稳定,下游坝坡在正常蓄水位和允许最高水位条件下处于欠稳定状态;安民等[8]分析了均质土坝在库水位升降条件下的稳定性,认为当上游水位下降时,边坡的安全系数随着水位的下降而下降,而上游水位上升时,上游边坡的安全系数是逐渐上升的;张文杰等[9]研究认为饱和渗透系数的大小决定了岸坡内浸润线的位置和形状,在水位升降情况下,渗透系数小的岸坡水位上升时安全系数增大,水位下降时安全系数减小,而渗透系数大的岸坡在水位上升和下降时均存在最危险水位,最危险水位的位置约在岸坡高度下1/3处。

以某均质土坝为例,基于非饱和土力学理论,考虑非饱和土体渗透性与基质吸力之间的非线性关系,采用有限元法对库水位变化过程中坝体渗流特征及上游坝坡稳定性进行了定量分析,得到了库水位变化过程中均质土坝渗流和稳定性变化规律,并提出了水库监测及防治方面的措施建议。

1 理论基础

1.1 非饱和带水运动规律

非饱和土体渗透率k不再是常数,而是非线性的,其值与土体的含水率有关,当含水率减小时,一部分空隙为空气所充填,因而过水断面减小,渗流途径的弯曲程度增加,导致渗透系数降低。非饱和土壤水运动基本方程:

上述方程以基质势h为变量,适用于饱和-非饱和问题的求解,能够很好地处理两者之间的耦合关系。

1.2 非饱和土抗剪强度理论

非饱和土体强度与含水量的变化显著相关,土体含水量的增大会弱化土体结构强度和导致基质吸力降低,孔隙水压力的增加,有效应力的减小会影响土体抗剪强度。本次采用Fredlund提出的抗剪强度理论[10],其方程为:

τfω=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uω)tanφb。

其中,c′为有效黏聚力;ua为孔隙气压力;uω为孔隙水压力;φ′为有效内摩擦角;φb为与基质吸力(ua-uω)对应的等效内摩擦角,其反映出非饱和抗剪强度随基质吸力而增加的速率。

2 算例分析

2.1 计算模型及参数

某水库位于汉江支流唐白河流域,大坝为均质土坝,坝体土为素填土,主要由粉质黏土组成,坝基土为硬塑状粉质黏土,场地附近无断裂构造,较适宜工程建设。该水库库底标高为123.00 m,正常蓄水位为127.40 m,设计水位128.80 m,上、下游坝坡坡比分别为1∶2.1,1∶1.8(见图1)。根据大坝实际典型剖面搭建有限元二维数值模型(见图2),以库底为基准(水头为0 m),按0.5 m间距划分网格,其中计算网格单元数835个、网格节点数902个,上游坝坡设定为动水头边界,即水头h与时间t相关的函数边界条件,土体参数选取主要依据土工试验结果及行业规范经验值,主要参数取值分别为:ωs=0.1,Ks=0.006 m/d,γ=19.5 kN/m3,c=18 kPa,φ=10°。

2.2 计算工况

根据水库功能定位与实际情况,为定量分析水库运行过程中可能出现或大概率出现的水位上升与降落对坝体填土渗流影响及对坝体稳定性影响,选取正常蓄水位与设计水位作为定量分析的参考水位。水库水位上升工况下:水位从127.40 m上升至128.80 m,即水头从4.4 m上升至5.8 m;水库水位下降工况下:水位从128.80 m降落至127.40 m,即水头从5.8 m下降至4.4 m;水位上升(下降)速率分别设定为0.1 m/d和0.2 m/d。

3 结果分析

3.1 库水位变动渗流分析

库水位上升工况下:从图3可看出,在库水位上升速率定值条件下,不同位置孔隙水压力增加速率基本一致,与时间近似成正比,在库水位上升的中期,坡面处孔隙水压力变化存在一个突变,而非坡面位置在库水位整个上升过程中,孔隙水压力大致呈线性增加,但不同位置,孔隙水压力大小明显不同,距离坡面位置越远,孔隙水压力值越大;不同库水位上升速率下,孔隙水压力增加速度不同,其与库水位上升速率呈正相关,库水位上升越快,孔隙水压力增加越快。不同库水位上升速率下,不同位置孔隙水压力终值也不同,在0.1 m/d上升速率下,距坝坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水压力终值分别为10.87 kPa,14.22 kPa,17.54 kPa,而在0.2 m/d上升速率下,距坝坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水压力终值分别为10.60 kPa,13.74 kPa,16.91 kPa,表明库水位在0.1 m/d上升速率条件下,上升到同一高度水位,坝体最终孔隙压力要高于0.2 m/d上升速率条件下,这是因为上升速率越慢,水能够更加充分地浸润土体,由此可推断库水位上升速率越慢,坝体不同位置孔隙水压力终值越大,影响深度越大,渗流作用效果也更加明显,反之,库水位上升速率越快,孔隙水压力终值越小,影响深度越小,渗流作用效果也更加平缓。

库水位下降工况下:从图4可看出,在库水位下降速率定值条件下,不同位置孔隙水压力减小速率基本一致,在库水位下降的中期,坡面处孔隙水压力变化存在一个突变,而非坡面位置在库水位整个下降过程中,孔隙水压力大致呈线性减小,但不同位置,孔隙水压力大小明显不同,距离坡面位置越远,孔隙水压力值越大,这是因为深度越大,孔隙水压力越难以消散;不同库水位下降速率下,孔隙水压力减小速度也存在差异,其与库水位下降速率大致呈正比,库水位下降越快,孔隙水压力减小越快,同一时间下,孔隙水压力也越小。不同库水位下降速率下,不同位置孔隙水压力终值也不同,在0.1 m/d下降速率下,距坝坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水压力终值分别为2.61 kPa,7.17 kPa,11.95 kPa,而在0.2 m/d下降速率下,距坝坡面0.5 m位置、1.0 m位置、1.5 m位置孔隙水压力终值分别为3.04 kPa,7.62 kPa,12.43 kPa,同一下降速率条件下,距坡面越近,孔隙水压力越小,因深度越浅,孔隙水压力更易消散,故其孔隙水压力越小,而在不同下降速率条件下,水位下降速率越慢,坝体不同位置孔隙水压力终值越小,这是因为粉质黏土层渗透性差,而下降速率越慢,坝土体能够充分排水,孔隙水压力能够在一定程度上充分消散,因此孔隙水压力更小,而下降速率过快,坝土体内水来不及充分排出,孔隙水压力未完全消散,因此较之水位下降慢条件下坝体内部孔隙水压力更大。

3.2 库水位升降下坝坡稳定性分析

库水位上升工况下:图5为上游坝坡在库水位上升条件下的安全系数变化曲线,由图可看出,天然状态下,土坝稳定性安全系数为1.36,满足《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》中正常运用条件下最小安全系数为1.25的要求,在库水位由正常蓄水位上升至设计水位工况下,安全系数是逐渐增加的,水位上升越快,安全系数增加越快,水位上升至设计水位时,水位在0.1 m/d和0.2 m/d上升速率下,两者安全系数终值分别为1.604和1.609,虽相差仅3‰,但其可能源于设定水位上升速率偏小的缘故,因该水库水位上升速率设定源于实际情况,故在此不做进一步探讨,后期将开展进一步的改进工作,但仍可推测库水位上升速率对坝坡最终安全系数存在一定程度影响,即库水位上升越快,其坝坡最终安全系数越大,这也与前文所述库水位上升速率越快,渗流作用也更加平缓的论断一致。在库水位上升过程中,水的渗透力垂直作用于上游坝坡坡面,相当于对坝坡面施加了荷载,进而提高了坝坡体的抗滑力,从而使得安全系数增大。

库水位下降工况下:图6为上游坝坡在库水位下降条件下的安全系数变化曲线,由图可看出,天然状态下,坝坡处于稳定状态,在库水位由设计水位下降至正常蓄水位工况下,安全系数是逐渐下降的,水位下降越快,安全系数下降越快,水位在0.1 m/d和0.2 m/d下降速率下,前者于水位下降4 d后,安全系数低于规范要求而处于不稳定失稳状态,后者于水位下降2 d后,安全系数低于规范要求而处于失稳状态,水位下降至正常蓄水位时,两者安全系数终值分别为1.096和1.095,低于规范要求,处于失稳状态,库水位下降速率对坝坡最终安全系数存在一定程度影响,即库水位下降越快,其坝坡最终安全系数越小。在库水位下降过程中安全系数降低主要有两个方面的原因:一方面是由于大坝土体渗透性低,排水能力弱,坝体内孔隙水压力没有足够时间消散降低,而坝体外水压力快速降低,由此形成内外压力差,即形成所谓的“逆流”现象[11],导致上游坝坡稳定性降低,当库水位下降越快,在上游坝坡面附近会形成更加严重的“逆流”现象,威胁坝坡安全;另一方面是因为降水过程中,坝体内孔隙水部分排出,孔隙水压力部分消散,导致坝体内有效应力增加,较之水位未下降前,增大了下滑力,进而导致坝坡安全系数降低。

4 结论

在库水位升降变化过程中,孔隙水压力大小与水位上升速率关系显著。水位上升速率越慢,坝体不同位置孔隙水压力终值越大,影响深度越大,渗流作用效果也更加明显,反之,库水位上升速率越快,不同位置孔隙水压力终值越小,影响深度越小,渗流作用效果也更加平缓;而水位下降速率越慢,不同位置孔隙水压力终值越小,且距坝坡面越近,孔隙水压力越小,孔隙水压力更易消散,而距坝坡面越远,孔隙水压力越不易消散,孔隙水压力越大。

在库水位上升过程中,因渗透力作用于坝坡面,相当于施加了荷载,增大了抗滑力,使得坝坡安全系数逐渐增加;而在库水位下降过程中,坝坡安全系数是逐渐减小的,库水位下降越快,坝坡安全系数越小,一方面是因为大坝土体渗透性低,排水能力弱,坝体内孔隙水压力没有足够时间消散降低,而坝体外水压力快速降低,由此形成内外压力差,使得安全系数降低而易出现失稳破坏;另一方面是坝体内孔隙水部分排出,部分孔隙水压力消散,有效应力增加,进而增大了下滑力,导致安全系数降低,因此当水库蓄水后,应特别注意监测排水阶段大坝坝坡稳定性,且应合理控制水库排水或放水速度,防止水库水位下降导致坝坡失稳破坏。