壓實度對壩體填土力學特性影響的數值研究

李 磊

(赫章縣水投水務有限責任公司，貴州 赫章 553200)

0 引 言

我國壩體大部分為土石壩，土石壩填筑高度較高且填筑后變形大[1]。其中，壓實度對壩體填筑質量影響較大，壓實度是影響土石壩填筑質量的重要影響因素。因此，研究土石壩填筑安全的重點是探討壓實度對壩體力學性能的影響。

研究人員在土方填筑方面已取得一些成果。如王智超等[2-3]以某高填方多級擋土墻路堤為研究背景討論了高填方的長期沉降及變形，并通過有限元強度折減計算得到邊坡穩定性最小安全系數和最危險滑動面，結果滿足邊坡穩定性要求；吳初平[4]以某高速公路為研究背景，研究分析了泡沫輕質土在高填方方面的應用并取得了良好的工程效果；尹利華等[5]以蒙文硯高速公路為研究背景討論了將云南紅黏土充作大壩填料的可能性，并對云南紅黏土進行一系列試驗研究，總結出云南紅黏土的壓實度最低為0.9；王鵬等[6]以太原市太行路某工程為例，提出基于Logistic和雙曲線結合的模型預測沉降度，結果表明模型預測值與實際工程的擬合度均高于單一Logistic模型或雙曲線模型。陳虎[7]建立了累積夯實量的壓實度計算方法，推導出普夯區強夯后路堤整體壓實度，實測數據表明該方法有較強的實用性。基于上述研究，本文對某大壩進行建模分析，討論大壩在自重條件、降雨條件、地震條件和降雨-地震耦合條件下，不同壓實度下壩體的滲流和穩定性。

1 工程概況

研究區位于云南省曲靖市會澤縣田壩鄉，大壩所在地區西高東低，周邊有河流，其占地面積5.53 hm2。大壩沿山而行，壩體表面不斷被水流沖刷，大氣降雨為壩區水的主要來源之一，豐水期時低陷處水聚集并迅速排至坡腳下。該地區屬亞熱帶濕潤季風氣候。年降水量800～1 500 mm，每年6-10月份為豐水期，月平均降雨量為200 m。旱季和雨季更迭分明，對地下水的水文循環起著重要作用。大壩地理位置見圖1。

圖1 大壩衛星地理圖

1.1 地質情況

大壩位于山間沖溝內，溝底分布第四系沖洪積層，巖性多為粉質黏土，呈硬塑性狀態，第四系黏土平均厚度為7 m，呈黃褐色，呈棱角狀，無震動反應；其下伏為玄武巖，呈灰黃色、玻璃狀結構，裂隙較發育，孔深2～16 m時，巖心碎成沙，碎片易碎，為強風化層；當孔深為16～22 m時，巖心相對破碎，出現破碎、堅硬、風化層。場地地表無軟弱土，場地兩側基巖裸露。 研究區地下水主要由孔隙水和基巖裂隙水組成，場地地勢陡峭，坡度大，有利于地下水的排水。孔隙水不易產生，只存在于豐水期。

1.2 地震概況

研究區地面加速度峰值為0.25 g，動力響應譜特征周期為0.45 s，為強震區，強地震會影響大壩整體穩定性。

2 壩體模型建立

選用大壩某典型截面，通過有限元軟件Midas·GTS/NX對壩體建立二維模型并進行分析，流程分析圖見圖2。

圖2 流程分析圖

模型中有2 510個節點、2 438個單元。左右側分別設置90和30 m頂水頭邊界，模型示意圖見圖3。

圖3 二維模型圖

根據土工試驗數據和研究區地質調查報告，本研究所采用的參數見表1。

表1 壩體及地基土計算參數

3 壩體穩定性分析

3.1 壩體自重穩定性分析

首先進行大壩在自重下的穩定性分析，只有在自身重量下穩定時，才需要考慮降雨、地震等條件。因此，大壩自重下穩定性分析是大壩穩定性研究的第一步[8]。從孔隙水壓力、相對位移變化和剪應變變化及安全系數4個方面考慮不同壓實度大壩的穩定性建模分析[9]。大壩建模的初始穩態孔隙水壓力和剪應變見圖4、圖5及表2。

圖4 孔隙水壓力變化圖(自重條件)

圖5 相對位移變化及剪應變變化圖(自重條件)

表2 孔隙水壓力、相對位移、剪應變及安全系數分布表(自重條件)

綜合分析可知，在不同壓實度下，壩體整體保持穩定，即Fst≥1.25；壩體部分處于非飽和狀態，孔隙水滲流主要發生在壩體和粉質黏土中。孔隙水壓力等值線呈平行狀態，與調查情況一致；壩體的相對位移和最大剪應變隨著壓實度的增加而減小，安全系數與壓實度呈正相關關系。

3.2 降雨條件穩定性分析

從降雨條件進行應力滲流耦合分析，對壩體抵抗降雨程度進行研究[10]。本研究采用兩種降雨條件分析降雨對壩體穩定性的影響，見表3。

表3 降雨條件

該模型從3個角度分析大壩的穩定性，即相對位移、最大剪應變和安全系數。分析結果見圖6-圖7及表4-表5。

圖6 相對位移圖(降雨條件)

圖7 最大剪應變圖(降雨條件)

表5 安全系數表(降雨條件)

續表5

由圖6和圖7可以得出，在一致壓實條件下，在暴雨條件下孔隙水壓力變化較快，同時降雨強度高于大壩滲透系數，雨水沿坡面產生徑向流，最后匯集于坡腳，坡腳應力增大，進一步導致大壩位移和應變增大；在相同降雨條件下，大壩滲透系數與壓實度呈負相關關系，導致大壩內部水的入滲量減少，大壩的相對位移和剪應變減小；由表5可知，單位時間的降雨強度與壓實程度一致。對大壩的穩定性影響較大，暴雨條件導致壩體短時間內迅速飽和，壩體自重增加，最終大壩穩定性下降速度比大雨條件快；當壓實度為40%和50%時，出現不同程度的失穩，即Fst≤1.05。

3.3 地震條件穩定性分析

采用擬靜力法討論大壩在地震條件下的穩定性，從應變、位移、安全系數3個方面進行分析。分析結果見圖8和表6。

圖8 相對位移及剪應變圖(地震條件)

表6 相對位移、剪應變及安全系數表(地震條件)

根據圖8和表6可知，在地震工況下，壓實度為50%～80%時大壩整體保持穩定，即Fst≥1.05；壩體穩定性、安全系數與壓實度呈正相關，相對位移和最大剪應變與壓實度呈負相關。

3.4 降雨-地震耦合條件穩定性分析

降雨、地震均對大壩的力學參數有重要影響。本研究考慮降雨與地震同時發生，建立雨震耦合條件，并據此進行建模分析，得出雨震耦合條件下大壩的孔隙水壓力、應變、位移和安全系數。研究區所在地區地震烈度為Ⅷ度，地震動響應譜特征周期為0.45 s；降雨條件選定大雨條件。雨震耦合條件下大壩應變、位移和安全系數分布見圖9和表7。

圖9 相對位移及剪應變圖(降雨-地震耦合條件)

表7 相對位移、剪應變及安全系數表(降雨-地震耦合條件)

由圖9和表7可知，大壩在雨震耦合條件下，壩體相對位移、最大剪應變、相對位移與壓實度呈負相關；壩體整體安全系數與壓實度呈正相關。但在此條件下，當壩體壓實度為40%和50%時，安全系數難以保證高于1.05，即壩體整體穩定性難以保證。

4 不同條件穩定性分析

在大壩穩定性分析中，將5種分析工況全部考慮在內，比較5種條件下的相對位移、剪應變和安全系數變化趨勢。見表8-表10。

表8 相對位移分布表

表9 剪應變分布表

表10 安全系數分布表

由表8-表10可知：

1) 在雨震耦合條件下，大壩相對位移及最大剪應變較其他4種條件最大，孔隙水壓力下降速度最快；在壓實度相同的情況下，相對位移及最大剪應變按雨震耦合條件、地震條件、暴雨條件、大雨條件、自重條件依次降低；隨著壓實度的增加，5種條件下大壩穩定性與壓實度呈正相關關系。

2) 在自重和地震條件下，大壩的安全系數與壓實度呈正相關關系；自重條件下，大壩可保持整體穩定性；在地震條件下，壓實度為40%時，壩體部分失穩；大雨條件、暴雨條件和雨震耦合條件下，大壩的安全系數與壓實度正相關，且壓實度大于55%時，大壩能滿足穩定性要求，即壓實度為40% 和 50%時，大壩部分失穩；安全系數按自重條件、大雨條件、暴雨條件、地震條件、雨震耦合條件依次降低。

5 結 論

本研究討論了自重、大雨、暴雨、地震和雨震耦合5種條件下不同壓實度下大壩穩定性的變化，主要結論如下：

1) 壩體整體相對位移與最大剪應變變化規律一致，均隨著壓實程度的增加而減小。在相同壓實度下，相對位移和最大剪應變按雨震耦合條件、地震條件、暴雨條件、大雨條件、自重條件依次降低。

2) 同等條件下，壩體安全系數隨壓實程度的增大而增大；相同壓實度下，安全系數按自重條件、暴雨條件、大雨條件、地震條件、雨震耦合條件逐漸降低。

3) 當地震工況壓實度為50%及以上時，大壩整體保持穩定，雨震耦合條件、地震條件、暴雨條件均的壓實度為60%及以上時，大壩整體保持穩定。