基于水力模型試驗(yàn)的堤防工程安全運(yùn)營(yíng)分析研究

黃健華

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

堤防工程作為防洪水利樞紐，其安全運(yùn)營(yíng)關(guān)乎防洪安全以及水資源的安全利用等，研究堤防安全長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)對(duì)提升防洪設(shè)計(jì)以及水利安全意識(shí)均有重要意義[1-3]。目前，一些學(xué)者與專家采用數(shù)值試驗(yàn)的方法，借助仿真軟件建立水工結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況施加約束荷載，研究水工模型破壞過(guò)程或運(yùn)營(yíng)過(guò)程應(yīng)力位移分布特征；另一方面，亦可采用滲流模擬研究手段，分析滲流場(chǎng)分布演化特征，為工程除險(xiǎn)加固或水利設(shè)計(jì)提供參考[4-6]。由于工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中變化較大，因而在現(xiàn)場(chǎng)安裝微震監(jiān)測(cè)儀或其他現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器，可實(shí)時(shí)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)安全狀態(tài)進(jìn)行分析，并及時(shí)預(yù)判工程運(yùn)營(yíng)安全穩(wěn)定性[7-9]。水工物理模型試驗(yàn)對(duì)研究現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)提供了重要的研究手段，很多專家學(xué)者利用模型試驗(yàn)理論在室內(nèi)建立水工結(jié)構(gòu)模型，分析模型滲流、潰壩、動(dòng)力響應(yīng)等特征，為水利設(shè)計(jì)提供重要的試驗(yàn)依據(jù)[10-12]。本文利用水力模型試驗(yàn)，研究堤防工程在高水位運(yùn)營(yíng)過(guò)程中邊坡安全性以及滲流場(chǎng)演化特征，為堤防樞紐工程長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)評(píng)價(jià)提供參考指標(biāo)。

2 模型試驗(yàn)介紹

2.1 工程概況

某防洪樞紐工程作為地區(qū)內(nèi)調(diào)水、控水、蓄水等復(fù)合型水資源調(diào)度水利設(shè)施，為地區(qū)供水以及水資源凈化修復(fù)提供重要作用，年可供水量超過(guò)300×104m3，按照50年一遇洪水位設(shè)計(jì)攔水大壩，確保水資源安全高效利用。該樞紐工程包括泄洪閘、抽水泵站、攔污柵以及堤防大壩等水工結(jié)構(gòu)，其中泄洪閘設(shè)計(jì)為多孔式水閘，單孔尺寸為5 m×3 m，閘門采用弧型鋼閘門，半徑為1.8 m，以液壓式啟閉機(jī)作為開度控制設(shè)施，確保通行流量對(duì)水工結(jié)構(gòu)以及下游用水工程不產(chǎn)生水力威脅。攔污柵與堤防大壩一起構(gòu)成上游水位重要的水利控制結(jié)構(gòu)，堤防大壩長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m，壩頂寬度為3 m，壩體主要為砂土堆料及細(xì)礫石土，含水量較低，部分細(xì)礫石土沉降變形較大，室內(nèi)初步測(cè)試彈性模量遠(yuǎn)高于普通堆石料體；壩身表面鋪設(shè)土工布，壩趾處設(shè)置厚70 cm防滲墻，共同構(gòu)成堤防大壩防滲系統(tǒng)?，F(xiàn)由于該堤防大壩運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)，部分堤段出現(xiàn)滲流活躍，下游河坡的混凝土灌漿設(shè)施出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象，分析認(rèn)為該堤防大壩運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性欠佳，局部壩身應(yīng)進(jìn)行加固維護(hù)。為此，工程設(shè)計(jì)部門討論先利用物理模型試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)堤防工程模型試驗(yàn)，研究有關(guān)堤防安全的邊坡、滲流場(chǎng)狀態(tài)等特征參數(shù)，為評(píng)價(jià)堤防安全運(yùn)營(yíng)及加固除險(xiǎn)提供重要參考。

2.2 模型試驗(yàn)介紹

本文重點(diǎn)分析的堤段為Z2+120～Z2+128斷面處，上下游坡度比均為1/3.5，邊坡軸線長(zhǎng)度為15.4 m，堤腳水平延伸至其他壩腳或壩趾處，此設(shè)定為模型工程的邊界，上覆土層為砂土，該區(qū)段內(nèi)礫石料沉降變形較大，局部還存在有下臥粉土，對(duì)堤防安全具有重大威脅，因而模型試驗(yàn)也以該斷面為基礎(chǔ)開展分析研究，并逐步擴(kuò)展至其他區(qū)段內(nèi)，該區(qū)段堤防斷面圖見圖1。

圖1 堤防斷面圖

為確保模型試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，設(shè)定模型長(zhǎng)度比尺為10，滲流作用力以及其他運(yùn)動(dòng)力等比尺亦設(shè)定為10，室內(nèi)模型所用土料均為現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣所得天然堆料，各水工設(shè)施均按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際長(zhǎng)度按照長(zhǎng)度比尺為10進(jìn)行縮放制作，另滲流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺參數(shù)亦為10，填筑以及滲流運(yùn)動(dòng)均按照實(shí)際工況運(yùn)營(yíng)進(jìn)行；樞紐工程工程中的水利調(diào)控采用抽水泵站與液壓升降裝置作為調(diào)水控制設(shè)施，該裝置見圖2。

圖2 模型試驗(yàn)調(diào)水控制設(shè)施

為確保試驗(yàn)過(guò)程中相關(guān)滲流特征以及水力特征能夠準(zhǔn)確獲取，設(shè)置測(cè)壓管至堤防模型內(nèi)部，每個(gè)測(cè)壓管之間間距為25 cm，可實(shí)時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)至孔隙水壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)；邊坡地形沖刷監(jiān)測(cè)采用全自動(dòng)地形測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量精度為1 mm；還設(shè)置有相關(guān)堆石料壓力計(jì)以及變形監(jiān)測(cè)傳感器等，位移傳感器安裝位置見圖3，最大間距為60 cm。

圖3 位移傳感器安裝位置圖

為與實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)下保持一致，本文堤防工程物理模型所設(shè)定上游水位分別為56.5與57.5 m兩個(gè)水位方案。另堤防邊坡浸泡時(shí)間分別設(shè)定為6 d、8 d，堆石料試驗(yàn)方案按照砂土占比分別為超過(guò)50%的多砂區(qū)段、堤段砂土占比100%的全砂堤段。具體試驗(yàn)方案表見表1。

表1 試驗(yàn)方案表

試驗(yàn)步驟按照如下進(jìn)行：

1) 利用調(diào)水控制設(shè)施對(duì)上游進(jìn)水口放水，持續(xù)調(diào)水上游水位至模擬工況目標(biāo)水位，同時(shí)各個(gè)測(cè)壓管調(diào)試排氣，確保測(cè)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)完好。

2) 水位至目標(biāo)水位后，堤防模型持續(xù)處于高水位浸泡，持續(xù)時(shí)間按照具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定，并全程實(shí)時(shí)記錄堤防模型相關(guān)滲流特征及堆石料土壓力變化。

3) 高水位浸泡過(guò)程中，全自動(dòng)地形測(cè)量?jī)x應(yīng)在清零后持續(xù)測(cè)繪，每完成一個(gè)試驗(yàn)方案應(yīng)獲得一個(gè)全程地形圖數(shù)據(jù)。

4) 結(jié)束各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)定，繼續(xù)進(jìn)行其他試驗(yàn)方案組。

3 堤防邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.1 高水位蓄能下邊坡穩(wěn)定性

經(jīng)模型試驗(yàn)觀測(cè)及相關(guān)數(shù)據(jù)整理，獲得高水位蓄能下堤防邊坡地形高程變化曲線，見圖4。

圖4 堤防邊坡地形高程變化曲線

從圖4(a)水位蓄能前后對(duì)比特征曲線可看出，高水位下堤防邊坡整體均發(fā)生了沉降變形，地形高程相比初始干燥地形下最大降低幅度達(dá)1.8%，位于斷面61.4 cm處，相比其他斷面處下降幅度，此處顯著較高。分析認(rèn)為該斷面是分層堆筑施工的起點(diǎn)，當(dāng)?shù)貙邮艿椒謱訅簩?shí)影響，耦合沉降變形與水流侵蝕影響，因而地形高程降低較大。在堤防邊坡中間斷面40～80 cm處，整體上幅度下降基本一致，無(wú)顯著差異性，平均下降幅度為0.9%，該地段主要受到高水位蓄能水流沖蝕效應(yīng)影響，堤防邊坡產(chǎn)生流土，導(dǎo)致堤防堤腳土體滑移至末端，且隨著時(shí)間推移，流土沖刷現(xiàn)象更顯著，因而在堤防末端局部的地形出現(xiàn)上漲特征，區(qū)段長(zhǎng)度占監(jiān)測(cè)面的13%，上漲幅度約為0.07%。

圖4(b)為多砂斷面堤防工程在相同水位下地形高程變化曲線。從圖4(b)中可看出，與圖4(a)不同，整體上地形高程變化幅度減小，地形最大變化幅度出現(xiàn)在斷面20 cm處，降低幅度為0.6%，分層堆筑斷面15 cm處地形沉降變化幅度為0.2%，相比全砂斷面均較??；在堤防坡腳末端，局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)地形高程漲幅可達(dá)0.1%，即滲流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致流土沖蝕堆積至末端。分析認(rèn)為，多砂斷面中存在少部分黏土與粉土等其他土體，相比全砂斷面堤防土顆粒之間黏聚力較大，可一定程度上減弱由于高水位對(duì)堤防坡腳的沖蝕效應(yīng)。

3.2 水位驟降期下邊坡穩(wěn)定性

圖5為水位驟降期堤防工程斷面地形高程云圖。

圖5 水位驟降期堤防工程斷面地形高程云圖

從圖5可看出，坡腳處地形高程分布在52～56 m，相比堤防模型中間區(qū)域降低了3～4倍，為此本文給出水位驟降期兩個(gè)不同土層斷面地形高程對(duì)比曲線，見圖6。

從圖6可看出，多砂斷面地形高程相比初始地形不僅有所漲幅的斷面，亦有地形高程下降的斷面。在斷面44 cm處，地形高程相比初始堤防斷面增長(zhǎng)0.4%，且達(dá)到全斷面上最大高程，達(dá)-53.6 m；在斷面92 cm處，是全斷面地形高程最低處，相比初始斷面降低0.85%，表明水位驟降過(guò)程中不僅使堤防模型中局部土體流失，同時(shí)也會(huì)造成部分?jǐn)嗝嫱馏w堆積嚴(yán)重。筆者認(rèn)為多砂堤防模型在水位驟降過(guò)程中滲流作用仍會(huì)保持較高活躍，并持續(xù)沿著背水側(cè)坡面運(yùn)動(dòng)，并聚集在背水側(cè)，并與黏性較大的粉土、黏土等土體結(jié)合，形成局部孔隙水壓差斷面，因而造成部分地形高程增大，地形表面凸起。與多砂斷面呈顯著差異的是全砂斷面，水位驟降過(guò)程中全斷面地形高程均為下降，最大下降幅度達(dá)0.5%，由于全砂斷面中不存在黏聚力特性，因而當(dāng)水位驟降期水位急劇變化時(shí)，迎水側(cè)滲流水壓力在土層內(nèi)無(wú)較強(qiáng)黏結(jié)性約束作用，將土層內(nèi)堆筑料“裹挾”流失[13]，造成地形沉降，特別是在堤防模型中間斷面40～50 cm處。

圖6 堤防地形高程變化曲線(水位56.5 m驟降期)

為研究不同水位條件下驟降過(guò)程中地形變化特征，分別對(duì)水位56.5和57.5 m兩種水位方案開展分析，見圖7。

圖7 堤防邊坡地形高程變化曲線(不同水位驟降期)

從圖7中地形高程對(duì)比可看出，水位56.5 m下地形高程受水位驟降期影響顯著，最大降低幅度達(dá)5.5%；在水位57.5 m驟降過(guò)程中，其最大降低幅度達(dá)9.2%。分析認(rèn)為，當(dāng)水位愈高時(shí)，水位下降過(guò)程中堤防模型內(nèi)部土體滲流仍保持較高或活躍狀態(tài)，愈大的水頭壓力與土體內(nèi)部滲流作用壓力產(chǎn)生差距愈大，從而造成土層受到的沉降變形較大。綜合分析認(rèn)為，水位驟降期堤防模型土層穩(wěn)定性影響主要與原始水位以及堤防模型土層有關(guān)，從工程安全運(yùn)營(yíng)角度考慮，堤防堆筑材料應(yīng)保證多類型復(fù)合料，水位快速變化過(guò)程中應(yīng)加固部分危險(xiǎn)區(qū)段。

4 堤防工程滲流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

4.1 孔隙水壓力

圖8為兩個(gè)水位方案下堤防模型相同深度下不同軸向位置處測(cè)壓管中孔隙水壓力變化曲線，圖8中測(cè)壓管位置參數(shù)指測(cè)壓管與迎水坡埋設(shè)距離。從圖8中測(cè)壓管位置參數(shù)與孔隙水壓力量值變化可知，位置參數(shù)愈大，則孔隙水壓力愈小，當(dāng)為相同時(shí)間第4天時(shí)，位置參數(shù)為20 cm的測(cè)壓管中孔隙水壓力為2.52 kPa，而位置為40、60和80 cm的測(cè)壓管孔隙水壓力值相比前者分別降低72.6%、76.6%和97.7%。兩種水位下孔隙水壓力分布與測(cè)壓管位置參數(shù)關(guān)系均為一致，試驗(yàn)水位增大至57.5 m后，相同測(cè)壓管中孔隙水壓力有所增長(zhǎng)，位置參數(shù)為40 cm測(cè)管在第3天時(shí)水位56.5 m中孔隙水壓力為0.98 kPa，而水位57.5 m下相比前者增大70.5%。綜合表明，孔隙水壓力受迎水側(cè)邊坡內(nèi)滲流運(yùn)動(dòng)影響，愈靠近迎水側(cè)，滲流活動(dòng)愈強(qiáng)烈，反映出的孔隙水壓力愈大；而蓄水位愈大，堤防模型內(nèi)部土體孔隙水壓力可得到促進(jìn)，反映相同位置參數(shù)的測(cè)壓管則孔隙水壓力值較大。

圖8 測(cè)壓管中孔隙水壓力變化曲線(水位影響)

圖9為相同軸向位置下不同埋深測(cè)壓管孔隙水壓力變化特征曲線，圖9中位置參數(shù)指測(cè)壓管埋深距離。從圖9中曲線變化可知，測(cè)壓管埋深位置與孔隙水壓力為正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)谭滥Ｐ蜑槎嗌皵嗝鏁r(shí)，在第3天埋深距離為10 cm時(shí)孔隙水壓力為0.7 kPa，而埋深距離增大至30和50 cm后，孔隙水壓力相比前者分別增大2.1倍和3.85倍。當(dāng)?shù)谭滥Ｐ蜑槿皵嗝鏁r(shí)，前述埋深距離間孔隙水壓力差距幅度為23.1%和34.6%，即全砂斷面堤防模型孔隙水壓力分布受埋深距離影響較小。分析表明，全砂斷面由于土體較單一、黏聚力為零的特點(diǎn)，不同深度處孔隙水壓力受土體性質(zhì)影響較小，因而各埋深處測(cè)壓管孔隙水壓力變化幅度亦較小。

圖9 測(cè)壓管中孔隙水壓力變化曲線(土質(zhì)影響)

4.2 土壓力

圖10為兩種不同水位下各組壓力計(jì)所測(cè)土壓力變化特征。從圖10中可看出，土壓力整體呈先增長(zhǎng)至穩(wěn)定后減小的態(tài)勢(shì)變化，水位56.5 m下最大土壓力可達(dá)7.03 kPa，相比初始測(cè)點(diǎn)土壓力增長(zhǎng)70.6%，而蓄水位增大至57.5 m后，土壓力增長(zhǎng)幅度可達(dá)3.34倍，水位愈高，土壓力變化幅度愈大；當(dāng)?shù)谭滥Ｐ吞幱陂L(zhǎng)期高水位運(yùn)營(yíng)下時(shí)，堤防內(nèi)部土體滲流趨于穩(wěn)定，土壓力保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)?shù)?.3天開始水位下降后，水位56.5 m工況中隨機(jī)出現(xiàn)土壓力快速回落，而水位57.5 m工況下土壓力下降在水位下降后第6.2天，即水位愈高，土壓力回落期相對(duì)較滯后。筆者認(rèn)為，水位回落期，總壓力快速減小，而堤防模型內(nèi)部土體滲流作用在高水位下已逐漸蔓延至背水側(cè)，水位愈高工況下降時(shí)，滲流作用對(duì)土體孔隙水壓力影響愈大，進(jìn)而則影響土壓力變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相對(duì)更滯后。

圖10 不同水位下各組壓力計(jì)所測(cè)土壓力變化特征

5 結(jié) 論

1) 研究了高水位蓄能下堤防邊坡受水流沖蝕影響，坡面均有沉降變形，最大降低幅度達(dá)1.8%，坡腳末端有一定上漲，增長(zhǎng)幅度約0.07%；多砂斷面堤防沉降變形受存在一定黏聚力影響，沉降變形相比全砂斷面堤防要小，最大降低幅度為0.6%。

2) 分析了水位驟降期下多砂斷面堤防模型地形有漲有降，最大高程為-53.6 m，全砂斷面堤防模型均為沉降變形，最大下降幅度達(dá)0.5%；水位愈高，地形沉降變形愈受影響，受孔隙水壓差影響，水位57.5 m驟降過(guò)程最大降低幅度達(dá)9.2%。

3) 獲得了堤防模型土體孔隙水壓力與測(cè)管距迎水坡的距離為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但與測(cè)壓管埋深位置為正相關(guān)，第3天時(shí)位置為40、60和80 cm的測(cè)壓管孔隙水壓力值相比距離20 cm下分別降低72.6%、76.6%和97.7%，而埋深距離30、50 cm的測(cè)管孔隙水壓力相比埋深10 cm下分別增大2.1倍和3.85倍；水位增大，相同位置處測(cè)壓管中孔隙水壓力增大；全砂斷面堤防模型孔隙水壓力分布受埋深距離影響較小。

4) 研究了堤防模型中土壓力整體呈先增長(zhǎng)至穩(wěn)定后減小的態(tài)勢(shì)，水位56.5 m下最大土壓力可達(dá)7.03 kPa，水位愈高，土壓力變化幅度愈大，水位57.5 m時(shí)土壓力增長(zhǎng)幅度可達(dá)3.34倍，但水位愈大，土壓力回落期相對(duì)較滯后。