雨季施工围堰边坡渗流稳定性研究

李凤会

(平阴县浪溪河流域水利站,济南 250401)

1 概 述

随着我国水利水电工程建设的快速发展,水利建构筑物越来越多,大量构筑物的修建及加固需要在隔水环境下进行,需通过围堰进行阻水,以保证施工正常进行。因此,围堰的稳定性是影响施工安全及水工建筑物稳定性的重要因素。

针对降雨入渗作用对围堰边坡稳定性的影响,许多学者进行了相关研究。史尧等[1]基于数值模拟,系统研究了深井降水条件下的高边坡土石围堰稳定性。结果表明,围堰稳定性随着目标降水位升高呈降低趋势,但目标降水位降至一定深度后,围堰稳定性几乎不再发生变化。汪洋等[2]基于数值模拟,研究了赞比亚某土石围堰分期拆除过程中的边坡稳定性。结果表明,围堰背水面边坡削薄处理过程对围堰和背水面边坡影响有限,分期拆除方案是安全的。罗立哲等[3]基于非线性理论,研究了高土石围堰施工-运行过程边坡稳定性。结果表明,围堰边坡稳定性最差的工况是基坑开挖后的堰前水位下降期,且水位下降速率一定时,围堰边坡稳定系数先减小后增加。李树忱等[4]基于FLAC进行流-固耦合分析,研究了水中填筑围堰边坡稳定性。结果表明,围堰和基础内的孔隙水压力下降是开挖后透水边界增长所导致。张守仁[5]基于Geo-Studio软件,建立了土石坝计算模型,系统对比了仅考虑饱和渗流与考虑饱和-非饱和渗流状态下土石坝稳定性异同。结果表明,考虑饱和-非饱和渗流状态下土石坝稳定性计算结果比仅考虑饱和渗流状态更为合理。

上述文献研究表明,降雨是影响围堰边坡稳定性的重要因素,但不同降雨雨型对围堰边坡稳定性研究仍不完善。因此,本文采用Geo-Studio数值模拟系统,开展围堰边坡渗流稳定性研究,详细分析降雨雨型对围堰边坡稳定性的影响。研究结果可为水利工程施工提供参考。

2 饱和-非饱和渗流理论

非饱和达西定律为:

饱和-非饱和渗流理论中,多孔介质渗流连续方程为:

式中:ρ为流体密度,g/cm3;vi为流体流速,m/s;Q*为流体流量,m3/s;n、Sw分别为土体孔隙率和饱和度。

联立以上两个方程,可得饱和-非饱和微分方程:

(3)

式中:C(hc)为容水度,无量纲;Ss为贮水量,kg·m-2·s-2。

3 工程概况

3.1 工程概况与数值模型

水利工程施工围堰现场钻探资料揭示,研究区围堰上部覆盖层主要为粉砂土,厚度约5m,透水性中等,分布连续,较松散。粉砂土下部分布有碎石土层,透水性较强,厚度约3～5m。

根据围堰典型剖面图,建立数值计算模型,见图1。其中,围堰总长度80m,高度20m,上游坡比和下游坡比均为1∶2。为了简化计算,本文假定岩土体为理想均值材料,计算参数见表1。模型边界条件为:①左侧存在上游15m初始水位;②右侧存在下游15m初始水位;③基础底部为不透水边界;④坡顶和坡面设置为降雨边界;⑤上面为自由边界。最终得到的网格总数为1 235个,节点总数为1 386个。

表1 材料物理力学参数取值

图1 数值计算模型

3.2 计算工况

本次计算中,考虑4种不同的雨型(前峰值、中峰型、后峰型及均匀型)模拟降雨对围堰内部渗流场的影响规律,累计降雨量分别为360、600、850mm,降雨持续时间均为3d。具体设计方案见图2。

图2 降雨类型

4 结果与分析

4.1 孔隙水压力变化

图3为围堰监测断面不同深度处的孔隙水压力变化规律。结果表明,随着时间的增大,围堰不同深度处的孔隙水压力表现出先增大后减小的趋势。其中,在降雨初期,土体的含水率较低,降雨的入渗量较大,降水初期会形成较大的吸力梯度;在雨水入渗过程中,雨水持续入渗至围堰坡体内部,导致孔隙水压力持续增大。同时,随着降雨入渗时间增长,土体有效应力减小,最终会导致土体抗剪强度参数降低,因此对围堰的稳定性不利。当降雨持续到第3天时,围堰内部的孔隙水压力增大至最大值;当降雨结束时,土体内部的孔隙水压力开始消散,而深部的土体孔隙水压力消散速度较慢,直到第4天才趋于稳定。在第6天时,围堰17m深度处的孔隙水压力恢复至初始孔隙水压力的70%左右,表明降雨对围堰影响具有滞后性。

图3 降雨对围堰孔隙水压力的影响

4.2 渗透系数的变化

累计降雨量为850mm时,降雨雨型对围堰渗透系数的影响见图4。总体来看,4种不同的降雨雨型对渗透系数的影响基本相同,随着时间的增长,渗透系数先增大后减小。由图4(a)可知,对于前峰型降雨,由于初始降雨强度较大,雨水入渗速度大于消散速度,导致土体表面形成暂态饱和区。多余的降雨量在地表形成径流排出。随着降雨的进行,饱和区扩大,土体强度减小。此外,对于前峰型降雨,降雨后期降雨强度较小,雨水消散速度大于供给速度,因此土体的饱和度有所下降。由图4(b)可知,中峰型雨型对渗透系数的影响呈对称形态。由图4(c)可知,对于后峰型降雨,表层岩土体在前中期降雨下含水率提高,导致后期降雨量较大时土体的渗透系数处于较高水平,因此雨水可以快速入渗。由图4(d)可知,与其他3种降雨雨型相比,均匀型降雨的渗透系数明显降低,在监测断面不同深度处的最大渗透系数均为0.31左右。

图4 降雨雨型对围堰渗透系数的影响

4.3 围堰边坡稳定性的变化

不同累计降雨工况及不同雨型工况下,围堰边坡稳定性的变化规律见图5。结果表明,不同累计降雨总量下,围堰边坡的稳定性系数随着时间的增大而先减小后增大。其中,前峰型降雨雨型的稳定性降低最快,其次为均匀型、中峰型和后峰型。总体来看,围堰边坡受初期降雨量的影响最大,即前期降雨量越大,边坡的稳定性下降越快。此外,不同的累计降雨量工况下,降雨结束时,后峰型的降雨类型对围堰边坡的稳定性影响最大。当降雨结束时,边坡的稳定性系数有所回升。其中,后峰型降雨由于后期的降雨量较大较集中,因此边坡的稳定性恢复到较大的时间比较慢。另外,根据不同雨型对边坡强度影响的滞后性从长到短依次为后峰型最长,均匀型其次,前峰型最短。

图5 降雨雨型对围堰边坡稳定性的影响

综合以上分析可知,降雨过程中,围堰边坡的稳定性随着降雨时间的增长而减小。在降雨初期,降雨强度越大,稳定性下降速度越大。相同累计降雨量下,后峰型降雨对围堰边坡稳定性影响最大。此外,边坡的初期稳定性系数受前峰型影响最快。

5 结 论

本文采用Geo-Studio数值计算软件,系统研究了不同降雨雨型(前峰型、中峰型、后峰型和均匀型)对围堰边坡孔隙水压力及稳定性的影响。结论如下:

1)降雨量较小时,土体能够吸收一部分降雨,对边坡稳定性影响较小;降雨量增到一定程度时,土体一定深度形成饱和区,对边坡的稳定性影响具有劣化作用。围堰孔隙水压力表现出先增大后减小的趋势。降雨对围堰影响具有滞后性,随雨强增大,滞后性增大。

2)为了保证围堰边坡的稳定性,对于雨季围堰施工需增强排水措施,同时避免坡面雨水冲刷。雨后仍需加强监测,关注围堰安全。

3)由于围堰渗流稳定性与地质情况及施工质量等有关,因此研究结论需要结合其他工程围堰施工进一步确认。