黏土心墻滲透系數對土石壩滲流穩定性的影響研究

2024-04-29 14:21:26吳建勇

水利科技與經濟 2024年4期

吳建勇,殷思

(1.江西省水投工程咨詢集團有限公司,南昌 330000;2.江西省水泰工程檢測有限公司,南昌 330000)

1 概述

我國西南山區坡高谷深,水力水電資源豐富,大型水庫大壩建設對于當地經濟和社會發展具有重要作用。水庫大壩的穩定性是關乎水力設施安全運營的重要因素,而大壩的滲流條件是影響大壩穩定性的重要因素。為此,許多學者針對大壩的滲流穩定性進行了相關研究。史建峰等[1]構建了Geo-Studio土石壩滲流場計算模型,系統研究了某土石壩滲流穩定性的因素。結果表明,降雨強度、降雨型態和降雨持續時長是影響土石壩穩定性的主要因素。徐穎等[2]依托瀑布溝礫石土心墻土石壩工程,系統分析了主、副墻滲透系數變化對壩基滲流場的分布影響。賀亞魏等[3]基于非飽和滲流理論,系統分析了水位波動對黏土心墻土石壩穩定性的影響,為水庫調水和日常管理提供了參考。王開拓等[4]依托均質土石壩庫工程,建立了Geo-Studio數值計算模型,研究了庫水位降落對土石壩穩定性的影響。結果表明,壩體浸潤線變化時刻滯后于庫水位降落時刻,且滯后時長與水位下降速率呈正比。庫水位下降速率越大,土石壩穩定性越差。倪沙沙[5]基于飽和-非飽和非穩定滲流理論,研究了雨強和雨時對土石壩穩定性的影響。結果表明,兩者對土石壩的滲流場及壩坡穩定性均有明顯的影響。寧威鋒[6]基COMSOL計算了水庫土石壩體滲流特征,提出了合理的防滲措施,為水利工程中防滲墻設計及滲流分析提供了參考。

本文基于數值模擬,研究土石壩心墻滲透系數變化和不變兩種情況下,大壩的滲流場特性及穩定性規律,研究結果可為類似土石壩工程防滲及穩定性優化提供參考。

2 飽和-非飽和滲流理論

非飽和達西定律為:

飽和-非飽和滲流理論中,多孔介質滲流連續方程為:

式中:ρ為流體的密度,g/cm3;vi為流體的流速,m/s;Q*為流體的流量,m3/s;n、Sw分別為土體孔隙率和飽和度。

聯立以上兩個方程,可得飽和-非飽和微分方程:

(3)

式中:C(hc)為容水度,無量綱;Ss為貯水量,kg·m-2·s-2。

3 工程算例

3.1 工程概況與數值模型

研究區土石壩位于我國西南山區某地,壩址控制流域面積約6.57×104km2。壩體主要分為4個區域,分別為心墻、反濾層、過渡區及堆石壩料。壩頂寬15m,壩底寬305m,壩頂和壩底高程分別為2 875和2 580m,坡比為1∶2.0。采用ABAQUS建立數值計算模型,見圖1。

圖1 數值計算模型

數值計算中,為了提高計算效率,假定土石壩為不透水地基,巖土體本構模型為摩爾-庫倫模型。數值計算的巖土體力學參數根據室內土工試驗獲得,最終采用的力學參數見表1。此外,為了簡化計算,大壩底部按隔水邊界處理。

表1 材料物理力學參數取值

3.2 計算工況

已有研究表明,在水位變化情況下,材料不同的滲透系數對壩體的滲流場影響較大。為了研究大壩在竣工期、蓄水期末和穩定期壩體不同滲透系數對壩體滲流場和穩定性的影響,分別考慮滲透系數變化和滲透系數不變兩種情況下壩體內力和滲流場的變化規律。

4 結果與分析

4.1 竣工期大壩滲流變形分析

圖2、圖3分別為大壩竣工期水平位移等值線分布和應力水平等值線分布。結果表明,大壩朝向上游和下游的最大水平位移分別為0.9和1.7m。根據壩竣工期應力水平等值線可知,高應

圖2 竣工期水平位移等值線分布

圖3 大壩竣工期應力水平等值線分布

力水平區域出現在心墻內部。這是由于在竣工期最大主應力和最小主應力均出現在心墻坡腳位置,因心墻和壩體變形不協調而出現明顯的“拱效應”導致的。

4.2 蓄水期末大壩滲流變形分析

蓄水期末心墻壓強水頭和總水頭隨高程變化見圖4。結果表明,在k變化和k不變兩種情況下,蓄水末期壓強水頭隨高程的增大而減小,且兩種情況下,變化趨勢和具體數值的大小均保持相同。由圖4(b)可知,心墻總水頭隨高程增大而先增大后減小,其中高程為2 750m時為總水頭變化的的極值。此外,心墻黏性土滲透系數變化時,浸潤線之下心墻中線節點總水頭也減小。

圖4 蓄水期末心墻壓強水頭和總水頭隨高程變化

蓄水期末期心墻水力梯度和單寬流量隨加載步變化見圖5。由圖5(a)可知,對于k變化和k不變的情況下,最大出逸水力梯度隨加載步變化基本保持一致。其中,最大出逸水力梯度僅在第24加載步相差較大。其主要原因是由于滲透系數變化時,心墻滲透系數隨時間增大而減小。因此,最大出逸水力梯度也逐漸小于滲透系數不變的情況。由圖5(b)可知,隨著上游水庫蓄水位的增大,單寬流量逐漸變大,滲透系數不變的情況下,單寬流量的增幅遠大于滲透系數變化的情況。

圖5 蓄水期末心墻水力梯度和單寬流量隨加載步變化

蓄水過程中,大壩水平位移最大值隨加載步的變化見圖6。由圖6可知,壩體水平位移最大值的整體趨勢隨加載步增加而增大。且滲透系數不變和滲透系數變化兩種情況下,水平位移表現的規律完全相同。其主要原因是由蓄水產生水壓力,且滲透系數隨加載步增大而減小,心墻透水性降低,滲流力減小所導致的。此外,滲透系數變化時的大壩水平位移整體大于滲透系數不變的工況。

蓄水過程中,滲透系數不變和變化情況下,大主應力和小主應力最大值隨加載步的變化見圖7。結果表明,大小主應力均隨加載步增大而逐漸減小。當考慮心墻黏性土滲透系數變化時,大小主應力最大值第18步出現突變,且該情況下的應力最大值相較于滲透系數不變時均有所增加[7]。

4.3 穩定期大壩滲流變形分析

考慮從開始蓄水后100年內滲透系數變化和不變的情況下,心墻中線節點的壓強水頭、總水頭隨高程的分布規律見圖8。由圖8(a)可知,滲透系數變化和不變的兩種計算情況下,心墻中線節點壓強水頭隨高程的增大而線性減小,考慮心墻黏性土滲透系數變化時,壓強水頭有所減小。由圖8(b)可知,考慮滲透系數變化的情況下,浸潤線之下的總水頭也呈減小趨勢。