庫(kù)水位驟降偶遇地震作用下黏土心墻壩滲透及抗震穩(wěn)定性分析

吳 平， 萬(wàn)燎榕

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 江西 南昌 330029)

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)發(fā)生了許多水庫(kù)庫(kù)岸滑坡事故，大量的滑坡體滑入水庫(kù)，不僅減少了水庫(kù)的有效庫(kù)容，而且滑坡體高速滑入水庫(kù)時(shí)造成大量的涌浪，威脅大壩安全以及庫(kù)區(qū)周邊人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。庫(kù)水位的循環(huán)漲落是影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素。大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為庫(kù)水位驟降時(shí)，由于坡內(nèi)水位滯后于坡外水位，坡內(nèi)滲流水產(chǎn)生指向坡外的滲流力，從而降低了土體強(qiáng)度，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞[4-6]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)水位驟降對(duì)臨水邊坡的影響進(jìn)行大量的數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等研究。李卓等[7]根據(jù)自主設(shè)計(jì)的試驗(yàn)開(kāi)展了降雨與庫(kù)水位共同作用下邊坡滑坡研究，結(jié)果表明在庫(kù)水位劇烈變化以及降雨的雙重作用下，邊坡的有效應(yīng)力減小，坡面產(chǎn)生塌陷裂縫。趙瑞欣等[8]以三峽庫(kù)區(qū)涼水井滑坡為例，運(yùn)用數(shù)值軟件模擬不同庫(kù)水位驟升和驟降速率下邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。張珂峰[9]利用有限元軟件研究了庫(kù)水位驟降與降雨條件下深淺層邊坡的穩(wěn)定性。羋書(shū)貞等[10]運(yùn)用數(shù)值計(jì)算軟件模擬了庫(kù)水位急劇變化時(shí)邊坡土體Fredlund非飽和參數(shù)對(duì)邊坡滲流特性及穩(wěn)定性的影響規(guī)律。李鵬岳等[11]借助Geostudio模擬了不同庫(kù)水位升降速率下庫(kù)岸的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)。岑威鈞等[12]模擬了水位驟降期間偶遇地震作用時(shí)高土石壩抗震安全穩(wěn)定。陳鑄等[13]結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究了庫(kù)水與地震力共同作用下某邊坡的動(dòng)力響應(yīng)。

然而這些研究都沒(méi)有涉及到不同庫(kù)水位驟降速率下發(fā)生地震時(shí)土石壩壩坡的滲透及抗震穩(wěn)定性。因此，本文以某黏土心墻土石壩為研究背景，利用Geostudio中的Seep/w、Slope/w以及Quake/w模塊對(duì)不同庫(kù)水位驟降速率以及偶遇地震情況下其上下游壩坡的滲流特性以及穩(wěn)定性變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，為水庫(kù)的安全運(yùn)營(yíng)提供一定的參考。

2 理論背景

2.1 非飽和理論

庫(kù)水位驟降時(shí)，土石壩壩體上、下游堆石區(qū)呈現(xiàn)出典型的飽和-非飽和滲流特性，特別是上游堆石區(qū)內(nèi)的孔壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)，飽和-非飽和滲流[14]的張量形式如下：

(1)

2.2 非線性材料模型

本文進(jìn)行動(dòng)力模擬時(shí)采用Geostudio中Quake/w中的非線性材料模型，本文主要研究對(duì)象為壩體上下游堆石區(qū)，QUAKE/w提供的粗粒土的剪切模量表達(dá)式如下：

(2)

(3)

2.3 壩坡永久變形

本文采用1965年Newmark[15]提出的地震下邊坡的永久變形分析方法，即同時(shí)計(jì)算多個(gè)潛在滑動(dòng)面并且計(jì)算出最大變形邊坡滑動(dòng)面，在獲得最大變形的滑動(dòng)面后Geoslope計(jì)算出安全系數(shù)Fs為1時(shí)的屈服加速度ay以及該潛在滑動(dòng)面隨時(shí)間變化的平均加速度a，對(duì)(a-ay)關(guān)于時(shí)間二次積分即可得到潛在滑動(dòng)面的Newmark邊坡永久位移大小。

3 計(jì)算模擬

3.1 工程概況

宜春市溫湯河四方井水利樞紐工程中的攔河壩為黏土心墻土石壩，從上游到下游依次為上游圍堰、上游堆石區(qū)、過(guò)渡層、黏土心墻、下游堆石區(qū)以及下游堆石棱體。壩頂高程為156.20 m，正常蓄水位為152.0 m，死水位為125 m，典型剖面如圖1所示。

3.2 計(jì)算模型

模型網(wǎng)格圖如圖2所示，地基厚度取為50 m，長(zhǎng)305 m，地面高程(110 m)取為0，則死水位為15 m，正常蓄水位為42 m。N1、N2、N3、N4、N5和N6分別為上下游堆石區(qū)內(nèi)不同位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。網(wǎng)格單元類(lèi)型主要為三角形和四邊形。為了更準(zhǔn)確地反映上下游堆石體內(nèi)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力變化，取上下游堆石體和心墻部分的劃分網(wǎng)格尺寸為1.5 m，其余部分取3.5 m，全局共劃分3 854個(gè)單元，3 896個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 土體參數(shù)

黏土心墻土石壩各區(qū)域的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，土水特征曲線采用Fredlund&Xing模型[14]， 描述土水特征曲線 (SWCC曲線) 是衡量土體內(nèi)部滲透系數(shù)和體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系的重要曲線，如圖3所示。

根據(jù)可研性研究報(bào)告，庫(kù)區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相應(yīng)的地震烈度為Ⅶ度。本次數(shù)值模擬采用國(guó)際上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度時(shí)程曲線，為縮短計(jì)算時(shí)間截取地震振幅較大的前30 s作為輸入波，在對(duì)地震波進(jìn)行濾波以及基線校正處理的基礎(chǔ)上將其峰值調(diào)為0.15g(g=10 m/s2)，圖4為校正后的加速度時(shí)程曲線。

圖1心墻壩典型剖面圖 圖2模型網(wǎng)格圖

表1 壩體材料力學(xué)參數(shù)

圖3 壩體堆石區(qū)及心墻土水特征函數(shù)曲線

圖4 校正后水平向加速度時(shí)程曲線

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同驟降速率上下游堆石區(qū)孔隙水壓力分析

為反映黏土心墻土石壩在不同庫(kù)水位驟降速率下(0.5、1.0、1.5 m/d)，從正常蓄水位(152 m)降落至死水位(125 m)過(guò)程中上下游堆石區(qū)不同位置的滲流特性，設(shè)置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示，其中N1、N2、N3分別位于上游堆石區(qū)的上部、中部、下部位置，N4、N5、N6分別位于下游堆石區(qū)的上部、中部、下部位置。本次模擬時(shí)長(zhǎng)為180 d，包括庫(kù)水位驟降期與庫(kù)水位保持恒定期。不同庫(kù)水位驟降速率上、下游各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間的變化分別見(jiàn)圖5、6。從圖5(a)可以看出，隨著庫(kù)水位驟降速率的增大，上游堆石區(qū)的上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力減小速率也增大，且?guī)焖惑E降速率為1.0和1.5 m/d的孔隙水壓力變化曲線非常接近。第55～180 d內(nèi)，三者不同驟降速率下的孔隙水壓力變化曲線幾乎重合；在庫(kù)水位降落至死水位后該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力仍在繼續(xù)減小，但是減小速率趨于平緩。圖5(b)與5(a)有著相似的變化規(guī)律，但是從圖 5(b)可知在庫(kù)水位驟降的第100～180 d之間，不同驟降速率下的孔隙水壓力開(kāi)始趨于一致，并且保持不變。對(duì)于圖5(c)，由于下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)一直位于庫(kù)水位以下或庫(kù)水面以上，所以其孔隙水壓力為線性變化，且當(dāng)庫(kù)水位降至死水位后，其孔隙水壓力就保持不變。綜合比較圖5(a)、5(b)和5(c)可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)離庫(kù)水位越遠(yuǎn)，其孔壓呈現(xiàn)出越明顯的非線性變化，不同庫(kù)水位驟降速率下孔壓的趨同性越高，孔壓力達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越長(zhǎng)；在庫(kù)水位降落至死水位且經(jīng)過(guò)一段比較長(zhǎng)的時(shí)間后，庫(kù)水位以上的土體中的孔隙水壓力會(huì)趨于一個(gè)變化區(qū)間，上中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最后的孔隙水壓力為-130～-125 kPa；上游各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓值變化范圍在130～264 kPa。

從圖6(a)可以看出，在3種不同庫(kù)水位驟降速率下，上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓力變化幾乎相同，在庫(kù)水位開(kāi)始驟降的前26 d內(nèi)，孔隙水壓力變化幅度非常小，在27～180 d之間孔隙水壓力幾乎呈現(xiàn)線性變化，總體的孔壓力變化范圍約為18 kPa，圖6(b)的變化規(guī)律與圖6(a)類(lèi)似，只是在0.5 m/d的庫(kù)水位驟降速率下孔壓力的變化要小于1.0和1.5 m/d的庫(kù)水位驟降速率。圖6(c)為下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓力變化曲線，從圖中可以看出在庫(kù)水位開(kāi)始驟降的前10 d內(nèi)孔隙水壓力幾乎保持不變，在第11～150 d孔隙水壓力呈非線性變化，第151～180 d孔隙水壓力又達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。從圖6(a)、6(b)、6(c)可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)離下游地下水位越遠(yuǎn)，不同庫(kù)水位驟降速率下的孔隙水壓力變化區(qū)別越不明顯，孔隙水壓力也越難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，孔隙水壓力響應(yīng)庫(kù)水位驟降的時(shí)間也越長(zhǎng)。下游各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓變化范圍在18～27 kPa之間。

圖5 不同庫(kù)水位驟降速率上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖

圖6 不同庫(kù)水位驟降速率下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖

對(duì)比上下游堆石區(qū)內(nèi)不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律可知，上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總體孔壓力變化值較下游大，孔壓力響應(yīng)庫(kù)水位驟降的時(shí)間和達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間均較下游短。

4.2 不同庫(kù)水位驟降速率上下游堆石區(qū)穩(wěn)定分析

圖7為上下游堆石區(qū)在不同庫(kù)水位驟降速率下的安全系數(shù)變化圖。從圖7(a)可看出，不同庫(kù)水位驟降速率下上游壩坡的安全系數(shù)總體是先減小后增大再保持不變。庫(kù)水位驟降速率越大，出現(xiàn)最小安全系數(shù)的時(shí)間越早，最小安全系數(shù)越小。在庫(kù)水位驟降速率分別為0.5、1.0、1.5 m/d時(shí)，最小安全系數(shù)分別出現(xiàn)在第54、27和18 d，恰好是庫(kù)水位以不同驟降速率降落至死水位時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)庫(kù)水位驟降至死水位之后，各驟降速率下的最小安全系數(shù)都有所上升但均小于初始安全系數(shù)，并在之后保持同一恒定的安全系數(shù)，這是因?yàn)楫?dāng)作用在上游壩坡面的水壓力慢慢消失后，壩坡減少了一個(gè)支撐力，壩坡的安全系數(shù)慢慢減小，之后死水位以上的壩坡土體的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，安全系數(shù)有所上升。

對(duì)于下游壩坡，不同庫(kù)水位驟降速率下安全系數(shù)呈現(xiàn)出不斷增大后保持不變的趨勢(shì)，庫(kù)水位驟降速率越大，最大安全系數(shù)出現(xiàn)的時(shí)間越早，最大安全系數(shù)越大，但是最大安全系數(shù)差值不大，為0.01。由于上游水位不斷下降，下游堆石區(qū)內(nèi)的浸潤(rùn)線高程也不斷下降，下游壩體的非飽和區(qū)域增大，土體強(qiáng)度不斷增大，所以安全系數(shù)不斷增大。

對(duì)比上下游壩坡的安全系數(shù)可知，上游壩坡的初始安全穩(wěn)定系數(shù)要大于下游，但是庫(kù)水位驟降使得上游壩坡的穩(wěn)定性大大降低，需要引起重視。

4.3 不同庫(kù)水位驟降速率下偶遇地震上下游堆石區(qū)抗震穩(wěn)定分析

圖8和9分別為不同庫(kù)水位驟降速率上、下游壩坡的動(dòng)力響應(yīng)圖。

圖7 不同庫(kù)水位驟降速率上下游壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間變化圖

圖8 不同庫(kù)水位驟降速率上游動(dòng)力響應(yīng)圖

圖9 不同庫(kù)水位驟降速率下游動(dòng)力響應(yīng)圖

地震可能發(fā)生于庫(kù)水位驟降的任意時(shí)刻，所以限于篇幅，本文假定庫(kù)水位驟降至死水位時(shí)刻發(fā)生地震，即分別對(duì)應(yīng)t=18,27,54 d時(shí)刻。從圖8(a)可以看出，不同庫(kù)水位驟降速率下的上游壩坡安全系數(shù)過(guò)程線變化規(guī)律基本一致，庫(kù)水位驟降速率越小，總體安全系數(shù)越大，由此可見(jiàn)庫(kù)水位驟降速率越大，壩坡在地震作用下的穩(wěn)定性越差。從圖8(b)也可以看出，庫(kù)水位驟降速率與地震作用下Newmark位移呈正相關(guān)，在庫(kù)水位驟降速率為0.5、1.0、1.5 m/d下，上游壩坡的永久變形分別為0.144、0.186和0.215 m。從圖9(a)、9(b)可以看出，對(duì)于下游壩坡而言，不同庫(kù)水位驟降速率下的壩坡安全系數(shù)過(guò)程線幾乎重合在一起，不同庫(kù)水位驟降速率下游壩坡永久變形分別為0.0907、0.0960和0.1020 m。由此可見(jiàn)，下游壩坡的安全系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)與庫(kù)水位驟降速率相關(guān)性低。對(duì)比上、下游壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)曲線可得，下游壩坡的安全穩(wěn)定系數(shù)相較于上游明顯提高，這主要是因?yàn)殡m然上游庫(kù)水位驟降速率不同，但是由于心墻消耗了大量的水頭，下游堆石區(qū)內(nèi)的浸潤(rùn)線位置變化不大，孔隙水壓力受上游庫(kù)水位驟降影響小，而且下游堆石區(qū)內(nèi)的非飽和區(qū)域大于上游堆石區(qū)，土體的強(qiáng)度比上游大。

綜上所述，不同庫(kù)水位驟降速率下黏土心墻土石壩的上游邊坡為抗震穩(wěn)定薄弱區(qū)，庫(kù)水位驟降速率越大，抗震穩(wěn)定性越差，但同時(shí)也要對(duì)下游壩坡的安全穩(wěn)定做出相應(yīng)的防護(hù)措施。

5 結(jié) 論

(1)在不同庫(kù)水位驟降速率下，上游堆石區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)離庫(kù)水位越遠(yuǎn)，則孔壓力呈現(xiàn)出越明顯的非線性變化，孔壓力之間的變化區(qū)別越小，孔壓力達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定值越小。對(duì)于下游堆石區(qū)來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)離下游地下水位越遠(yuǎn)，不同庫(kù)水位驟降速率下的孔隙水壓力變化區(qū)別越不明顯，孔隙水壓力也越難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，孔隙水壓力響應(yīng)庫(kù)水位驟降的時(shí)間也越長(zhǎng)。

(2) 不同庫(kù)水位驟降速率上游壩坡的安全系數(shù)總體上是先減小后增大再保持不變。庫(kù)水位驟降速率越大，出現(xiàn)最小安全系數(shù)的時(shí)間越早，最小安全系數(shù)越小。對(duì)于下游壩坡而言，不同庫(kù)水位驟降速率下安全系數(shù)呈現(xiàn)出不斷增大后保持不變的趨勢(shì)，庫(kù)水位驟降速率越大，則最大安全系數(shù)出現(xiàn)的時(shí)間越早，最大安全系數(shù)也越大，但是差別不大。

(3)在庫(kù)水位驟降至死水位時(shí)偶遇地震情況下，上游壩坡的安全系數(shù)變化過(guò)程線變化規(guī)律基本一致，庫(kù)水位驟降速率越大，則安全系數(shù)越小，Newmark位移越大。對(duì)于下游壩坡而言，不同庫(kù)水位驟降速率對(duì)下游壩坡的安全系數(shù)影響不大，下游壩坡的安全系數(shù)過(guò)程線基本一致。

(4)無(wú)論在何種情況下，庫(kù)水位驟降對(duì)于上游壩坡的穩(wěn)定性影響要大于下游壩坡，在水庫(kù)管理運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)盡量避免庫(kù)水位驟降的發(fā)生，同時(shí)加強(qiáng)上下游壩坡的安全穩(wěn)定性。