降雨聯合地震下黏土心墻土石壩穩定性分析

2019-08-08 00:48:54米熱尼沙麥麥提

水利科技與經濟 2019年7期

米熱尼沙·麥麥提

(喀什地區水利水電勘測設計院，新疆喀什 844000)

1 概述

中國是世界上地震頻發的國家之一，地震災害給人民的財產安全和生命安全造成巨大的威脅[1]。由地震引發的滑坡災害就是其中之一，而降雨又加速了這種災害的發生概率。例如1999年的臺灣集集大地震[2]后的強降雨誘發了新的滑坡等地質災害，降雨誘發的滑坡面積是地震直接誘發的滑坡面積的3倍；汶川大地震也誘發了1.5萬處滑坡[3]，說明震后的降雨將會誘發更大范圍的滑坡。國內外許多專家學者都對地震、降雨或者降雨耦合地震工況下的邊坡穩定性進行大量的研究。Premchit[4]在1991年通過研究發現，在香港24 h降雨量超過200 mm時一定會有滑坡發生。Keefer[5]1984年通過對40個歷史地震進行研究分析得出, 地震震級不大于4級時不會有滑坡發生；當震級達到9.2級時, 將會在500 000 km2范圍內發生滑坡。徐文杰[6]等選用ABAQUS軟件, 從三維空間出發對地震誘發肖家橋滑坡的失穩進行了相關的模擬分析, 克服了二維分析方法帶來的誤差, 且與現實較符。孫軍杰[7]認為某種特定條件下 (降雨充沛地區發生特大地震時) , 地震和降雨的持續影響效應可能會對邊坡體穩定性產生耦合削弱作用, 由此造成的與滑坡有關的潛在災害不容忽視。

為了分析研究降雨及地震耦合作用對土石壩邊坡穩定性的影響, 本文以某水利樞紐中的黏土心墻壩為工程背景, 采用Geostudio軟件模擬分析土石壩壩坡在不同庫水位下地震與降雨耦合情況下的穩定性, 為今后類似工程研究提供科學依據。

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[8]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中的非線性材料模型。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[9]提出的地震下邊坡的永久變形分析方法，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，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。

圖1 心墻壩典型剖面圖

3.2 計算模型

模型網格圖見圖2。地基厚度為50 m，長305 m，地面高程為0 m，則死水位為15 m，正常蓄水位為42 m。N1、N2、N3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。

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。

圖2 模型網格圖

材料干密度/kg·(m3)-1最大剪切模量 /GPa泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)滲透系數/cm·s-1阻尼比心墻1 61050.3086263×10-60.05堆石區1 50050.2880345.79×10-30.03過渡層1 55050.3348267.08×10-30.03壩基土1 60050.2553203.53×10-30.03上游圍堰1 58050.3537.47285.23×10-30.03排水棱體1 68050.2550342.11×10-10.03基巖1 67050.3535241.00×10-90.06

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0.10 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10 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0.10 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

本文研究的是某黏土心墻土石壩上下游堆石區在不同庫水位工況下發生降雨時的滲透特性，以及在降雨過程中遇到地震作用下的上下游壩坡穩定性。降雨強度為0.1m/d，降雨持時為2天，發生在0～2天；地震最大輸入加速度為0.1 g，持續時間為10 s，發生時刻為第一天降雨結束時刻；數值模擬時長為10天。N1、N2、N3、N4、N5和N6分別為上下游堆石區內的監測點。從圖5可以看出，在死水位工況下，上游堆石區內的監測點孔壓總體上呈現先增大后減小的變化規律。由于監測點離上游庫水位的距離不同，各個監測點的孔壓在降雨過程中的變化也存在差異。監測點離庫水位越遠，初始孔壓力越小，降雨后孔壓變化越劇烈。例如，N1、N2和N3的初始孔壓力分別為-265.6、-176.7和-18.4 kPa；在降雨發生的一天內，最大孔壓力上升到-13.6、-12.2和-9.7 kPa,分別增大95%、93%和34%。這是因為降雨強度比較大，上游堆石區的滲透系數也比較大，大部分降雨入滲到土體內，導致土體的孔壓力迅速升高。監測點發生最大孔壓力時刻并非停雨時刻，而是在降雨期間。停雨后，各監測點的孔壓力緩慢減小，直至計算結束時刻，分別為-41.8、-41.3和-17.1 kPa。對于下游堆石區的監測點來說，監測點離壩體浸潤線的距離越遠，初始孔壓力越小，降雨后孔壓力變化越劇烈，達到孔壓力最大值的時間越長。例如，N4、N5和N6在降雨期間孔壓力達到最大值的時間分別為0.25、1.75和2天。停雨后，監測點的孔壓力緩慢減小，計算結束時刻孔壓力相差不大。對比上下游同一高度的監測點孔壓力可以看出，下游監測點的初始孔壓比上游相同高度的監測點小，而且降雨期間孔壓力的變化更加劇烈。

圖5 死水位下監測點孔壓力圖

由圖6可以看出，在正常蓄水位工況下，上游堆石區內監測點的孔壓總體上保持不變。這是因為當庫水位為正常蓄水位時，上游監測點都位于飽和區，降雨對其幾乎沒有影響。對于下游各監測點來說，其變化規律與死水位工況下的相似。對比不同庫水位下下游同一監測點可以看出，死水位下監測點的孔壓力小于正常蓄水位，但是到達孔壓最大值的時間相對較短，計算結束時刻孔壓力更大。

圖6 正常蓄水位下監測點孔壓力圖

4.2 不同庫水位工況下降雨偶遇地震上下游堆石區抗震穩定分析

地震可能發生于降雨過程中的任意時刻，所以限于篇幅，本文假定降雨1天結束時刻發生地震。從圖7(a)可以看出，總體上正常蓄水位工況下上游壩坡安全系數比死水位工況下大，而且最小安全系數均大于1。由此可見，庫水位越高，上游壩坡在地震作用下的穩定性越好。從圖7(b)可以看出，正常蓄水位和死水位工況下，上游壩坡的永久變形分別為0和0.025 m。

圖7 上游動力響應圖

從圖8(a)可以看出，對于下游壩坡而言，死水位工況下的壩坡安全系數比高水位下大，高水位和低水位下下游壩坡永久變形分別為0.241和0.039 m。由此可見，庫水位越高，下游壩坡在地震作用下的穩定性越差。對比上下游壩坡安全穩定系數曲線可得，庫水壓力可以加強上游壩坡的穩定性，但是水位越高，下游壩坡的穩定性越差。這是由于庫水位越高，作用在坡面的水壓力越大，增加了上游壩坡的抗滑力。但是庫水位越高，下游壩坡的地下水位線越高，下游堆石區的飽和區越大，土體的抗剪強度減小，下游壩坡的抗滑力減小。綜上可知，低水位下黏土心墻土石壩的上游邊坡為抗震穩定薄弱區，高水位下黏土心墻土石壩的下游邊坡為抗震穩定薄弱區。