庫水位驟降偶遇地震作用下黏土心墻壩抗震穩定性分析

2019-08-08 01:03:36阿布都賽米阿布都熱西提

水利科技與經濟 2019年7期

阿布都賽米·阿布都熱西提

(喀什地區水利水電勘測設計院，新疆喀什 844000)

1 概述

近年來，我國發生的許多水庫庫岸滑坡事故中，由于大量的滑坡體滑入水庫，不僅減少了水庫的有效庫容，而且滑坡體高速滑入水庫時造成大量的涌浪，威脅大壩安全以及庫區周邊人民群眾生命財產安全[1-2]。庫水位的循環漲落是影響庫岸邊坡穩定性的一個主要因素。大多數學者都認為庫水位驟降時，由于坡內水位滯后于坡外水位，坡內滲流水產生指向坡外的滲流力，降低土體強度，導致邊坡失穩破壞[3-4]。國內外眾多學者針對水位驟降對臨水邊坡的影響進行了大量的數值模擬、模型試驗以及現場監測等研究。李卓[5]等根據自主設計的試驗開展了降雨與庫水位共同作用下邊坡滑坡研究，結果表明在庫水位劇烈變化以及降雨的雙重作用下，邊坡的有效應力減小，坡面產生塌陷裂縫。李鵬岳[6]等借Geostudio模擬了不同庫水位升降速率下庫岸的穩定性變化趨勢。岑威鈞[7]模擬了水位驟降期間偶遇地震作用時高土石壩抗震安全穩定。陳鑄[8]結合振動臺試驗以及數值模擬，研究了庫水與地震力共同作用下某邊坡動力響應研究。

然而，這些研究都沒有涉及到不同庫水位驟降速率下發生地震時土石壩壩坡的滲透及抗震穩定性。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，對不同庫水位驟降速率以及偶遇地震情況下其上游壩坡的滲流特性以及穩定性變化趨勢進行研究，為水庫的安全運營提供一定的參考。

2 理論背景

2.1 非飽和理論

庫水位驟降時，上下游堆石區呈現出典型的飽和-非飽和滲流特性，特別是上游堆石區內的孔壓力出現較大的波動，飽和-非飽和滲流[9]的張量形式如下：

(1)

2.2 非線性材料模型

本文進行動力模擬時，采用Geostudio中Quake/w時的非線性材料模型。本文主要研究對象為上下游堆石區，Quake/w提供的粗粒土的剪切模量表達式如下：

(2)

(3)

2.3 壩坡永久變形

本文采用1965年Newmark[10]提出的地震下邊坡永久變形分析方法，即同時計算多個潛在滑動面并且計算出最大變形邊坡滑動面，在獲得最大變形的滑動面后利用Geoslope計算出安全系數Fs為1時的屈服加速度ay以及該潛在滑動面隨時間變化的平均加速度a，再對(a-ay)關于時間二次積分即可得到潛在滑動面的Newmark邊坡永久位移大小。

3 計算模擬

3.1 工程概況

某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、過渡層、黏土心墻、下游堆石區以及下游堆石棱體。壩頂高程為156.20 m，正常蓄水位為152.0 m，死水位為125 m，典型剖面見圖1。

3.2 計算模型

模型網格圖見圖2，地基厚度取為50 m，長305 m，地面高程取為0 m，則死水位為15 m，正常蓄水位為42 m。N1、N2、N3分別為上游堆石區內不同位置的監測點。網格單元類型主要為三角形和四邊形。為了更準確反映上下游堆石體內不同監測點的孔隙水壓力變化，取上下游堆石體和心墻部分的網格尺寸為1.5 m，其余部分取3.5 m，全局共劃分3 854個單元，3 896個節點。

圖1 心墻壩典型剖面圖

圖2 模型網格圖

3.3 土體參數

黏土心墻土石壩各區域的物理力學參數見表1。土水特征曲線采用Fredlund&Xing模型，描述土水特征曲線 (SWCC曲線) 是衡量土體內部滲透系數(體積含水率)與基質吸力之間的關系的重要曲線，見圖3。

表1 壩體材料力學參數

圖3 土水特征函數曲線

根據可研性研究報告，庫區的地震動峰值加速度為0.15 g，相應的地震烈度為Ⅶ度。本次數值模擬采用國際上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度時程曲線，為縮短計算時間截取地震振幅較大的前30 s作為輸入波，在對地震波進行濾波以及基線校正處理的基礎上將其峰值調為0.15 g(g=10 m/s2)，圖4為校正后的加速度時程曲線。

圖4 校正后水平向加速度時程曲線

4 計算結果分析

4.1 不同驟降速率上下游堆石區孔隙水壓力分析

為反映黏土心墻土石壩在不同庫水位驟降速率下(0.5、1和1.5 m/d)，從正常蓄水位(152 m)降落至死水位(125 m)過程中上下游堆石區不同位置的滲流特性，設置不同監測點進行詳細分析。監測點位置見圖2，其中N1、N2、N3分別位于上游堆石區的上部、中部、下部位置。本次模擬時長為180 d，包括庫水位驟降期與庫水位保持恒定期。從圖5(a)可以看出，隨著庫水位驟降速率的增大，上游堆石區的上部監測點的孔隙水壓力減小速率也增大，且庫水位驟降速率為1和1.5 m/d的孔隙水壓力變化曲線非常接近。55～180 d內，三者不同驟降速率下的孔隙水壓力變化曲線幾乎重合；在庫水位降落至死水位后該監測點的孔隙水壓力還在繼續減小，但是減小速率趨于平緩。圖5(b)與圖5(a)有著相似的變化規律。但從圖5(b)可知，在庫水位驟降的第100天到第180天之間，不同驟降速率下的孔隙水壓力開始趨于一致，并且保持不變。對于圖5(c)，由于下部監測點一直位于庫水位下或庫水面上，所以其孔隙水壓力為線性變化，且當庫水位降至死水位后，其孔隙水壓力就保持不變。綜合比較圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)可知，監測點離庫水位越遠，其孔壓呈現出越明顯的非線性變化，不同庫水位驟降速率下孔壓的趨同性越高，孔壓力達到穩定所需時間越長；在庫水位降落至死水位后，經過一段比較長的時間后，庫水位以上土體中的孔隙水壓力會趨于一個變化區間，上中部監測點最后的孔隙水壓力為-130～-125 kPa；上游各監測點的孔壓值變化范圍在130～264 kPa。

圖5 上游節點孔隙水壓力圖

4.2 不同庫水位驟降速率下上游堆石區穩定分析

圖6為上游堆石區在不同庫水位驟降速率下的安全系數變化圖。從圖6(a)可以看出，不同庫水位驟降速率下上游壩坡的安全系數總體上是先減小后增大再保持不變。庫水位驟降速率越大，出現最小安全系數的時間越早，最小安全系數越小。在庫水位驟降速率分別為0.5、1和1.5 m/d時，最小安全系數分別出現在第54天、第27天和第18天，恰好是庫水位以不同驟降速率降落至死水位時的時間點。當庫水位驟降至死水位之后，各驟降速率下的最小安全系數都有所上升但均小于初始安全系數，并在之后保持同一恒定的安全系數。這是因為當作用在上游壩坡面的水壓力慢慢消失后，壩坡減少了一個支撐力，壩坡的安全系數慢慢減小，之后死水位以上的壩坡土體的強度不斷增強，安全系數有所上升。

圖6 上游壩坡安全穩定系數

4.3 不同庫水位驟降速率下偶遇地震上游堆石區抗震穩定分析

圖7為不同庫水位驟降速率下上游壩坡的動力響應圖。

地震可能發生于庫水位驟降的任意時刻，限于篇幅，本文假定庫水位驟降至死水位時刻發生地震，即分別對應t=18 d、27 d、54 d時刻。從圖7(a)可以看出，不同庫水位驟降速率下的上游壩坡安全系數過程線變化規律基本一致，庫水位驟降速率越小，總體安全系數越大，由此可見庫水位驟降速率越大，邊坡在地震作用下的穩定性越差。從圖7(b)也可以看出，庫水位驟降速率與地震作用下Newmark位移呈正相關，在庫水位驟降速率為0.5、1和1.5 m/d條件下，上游壩坡的永久變形分別為0.144、0.186和0.215 m。綜上可知，不同庫水位驟降速率下黏土心墻土石壩的上游邊坡為抗震穩定薄弱區，庫水位驟降速率越大，抗震穩定性越差，但同時也要對下游壩坡的安全穩定作出相應的防護措施。