周愛紅，袁 穎，何國(guó)峰

(石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院 勘查技術(shù)與工程學(xué)院，石家莊 050031)

模擬填筑層數(shù)及水位對(duì)壩體變形及穩(wěn)定性的影響

周愛紅，袁 穎，何國(guó)峰

(石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院 勘查技術(shù)與工程學(xué)院，石家莊 050031)

壩體的變形及穩(wěn)定性計(jì)算分析中，合理地選擇模擬填筑層數(shù)并考察水位對(duì)壩體變形及穩(wěn)定性的影響是十分必要的。首先以變形和穩(wěn)定性系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算壩坡的穩(wěn)定性系數(shù)，基于FLAC3D建立壩體的分層填筑三維數(shù)值模型，對(duì)施工填筑期的數(shù)值模擬填筑層數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。其次，在合理的模擬填筑層條件下，研究了不同蓄水位對(duì)壩體的變形和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：壩體的變形以沉降為主，模擬計(jì)算的壩體沉降與填筑層數(shù)關(guān)系很大。相對(duì)壩體沉降來說，水平位移和穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)填筑層數(shù)的敏感性小，應(yīng)以滿足壩體沉降的精度標(biāo)準(zhǔn)選擇模擬填筑層數(shù)，建議模擬填筑層數(shù)不少于10層，壩越高，選取的模擬填筑層數(shù)宜越多；壩體的水平位移對(duì)庫水位位置較敏感，沉降和穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)庫水位位置敏感性小。這些結(jié)果在壩體變形和穩(wěn)定性研究中對(duì)確定合適的填筑層數(shù)和考慮庫水位的影響具有指導(dǎo)意義。

分層填筑；填筑層數(shù)；壩體變形；沉降;穩(wěn)定性；穩(wěn)定性系數(shù)；數(shù)值模擬

1 研究背景

土石壩的數(shù)值計(jì)算，應(yīng)按照施工填筑和蓄水過程，模擬壩體分期和加載的條件[1]。土石壩是分層填筑的，每層填筑厚度較小，一般都要小于1 m。在數(shù)值模擬中，通常取定填筑層數(shù)，把幾個(gè)實(shí)際施工層作為一個(gè)填筑層，采用分層逐級(jí)加載的方法模擬壩體逐級(jí)填筑的施工過程[2-3]。殷宗澤等[4]最先對(duì)壩高為57 m的花涼亭黏土心墻砂殼壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，壩體模擬填筑層數(shù)取用5層。沈珠江等[5]對(duì)壩高48.6 m的橫山土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，壩體模擬填筑層數(shù)取用12層。楊榮等[6]對(duì)壩高186 m的瀑布溝堆石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，壩體模擬填筑層數(shù)取用6層。錢亞俊等[7]對(duì)壩高為701.6 m的新疆水利樞紐砂礫石黏土心墻壩進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，壩體模擬填筑層數(shù)取用17層。鄒波忠[8]對(duì)壩高為56 m的任宗海堆石壩的變形及壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，壩體模擬填筑層數(shù)取用11層。從這些文獻(xiàn)可以看出，對(duì)不同壩高的壩體模擬填筑層數(shù)的選取，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。唐岷等[9]以高300 m的土石壩為例，研究了分層模擬的填筑層數(shù)對(duì)沉降量的影響，得出模擬300 m級(jí)的土石壩沉降量，填筑層數(shù)應(yīng)至少達(dá)到25～30層。劉喜珠等[10]以高為100 m的堆石壩為例，研究了填筑層數(shù)對(duì)壩體變形的影響，得出對(duì)于百米級(jí)高面板堆石壩，建議模擬分層厚度按壩高的0.1選取。謝江紅等[11]對(duì)壩高為136 m的堆石壩進(jìn)行了填筑10層和填筑20層的數(shù)值模擬，得出模擬的填筑層數(shù)對(duì)壩體的計(jì)算沉降量有重要影響。然而，這些研究著重于模擬填筑層數(shù)對(duì)壩體變形的影響，但是對(duì)壩坡穩(wěn)定性影響如何，也值得深入研究。本文以變形和穩(wěn)定性系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)數(shù)值模擬填筑層數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，并在合理的模擬填筑層模型基礎(chǔ)上，研究了不同蓄水位對(duì)壩體的變形和穩(wěn)定性的影響。

2 計(jì)算模型

本文基于FLAC3D軟件[12]編制相應(yīng)的計(jì)算程序?qū)σ陨?個(gè)問題進(jìn)行研究。以一壩高為10 m的小型黏土壩為例進(jìn)行模擬填筑層數(shù)及水位對(duì)壩體變形及穩(wěn)定性的影響研究。壩頂寬6 m，上下游壩坡為1∶1.2，壩橫截面沿壩軸線方向不變。假定土壩坐落在完整性好的堅(jiān)硬基巖上，壩體分10層施工，變形穩(wěn)定后再填筑下一層，施工質(zhì)量好，水庫蓄水后很快達(dá)到預(yù)定水位，可視為坐落在不透水地基上的均質(zhì)土壩。為了獲得合適的模擬填筑層數(shù)，文中選取了2種工況。工況1取填筑層數(shù)為5層，每層填筑2 m；工況2與實(shí)際施工層一致，填筑層數(shù)為10層，每層填筑1 m。在工況2的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究半庫水位(水位在壩底以上半壩高位置)和滿庫水位對(duì)壩體的變形和穩(wěn)定性的影響。

壩體材料的本構(gòu)模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。結(jié)合相關(guān)規(guī)范和工程地質(zhì)手冊(cè)，壩體力學(xué)參數(shù)取為：體積模量7.6 MPa，剪切模量3.0 MPa，黏聚力20 kPa，摩擦角20°，密度1 800 kg/m3。

采用FLAC3D的Brick單元，進(jìn)行壩寬范圍內(nèi)壩體的剖分，其他范圍內(nèi)壩體采用Uwedge單元進(jìn)行剖分，建立幾何模型，共850個(gè)單元，1 122個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后將材料屬性和邊界條件賦給幾何模型，得到物理模型，網(wǎng)格剖分圖見圖1。

圖1 網(wǎng)格剖分

3 施工填筑期壩體的變形及穩(wěn)定性分析

壩橫截面、位移邊界條件關(guān)于壩軸線對(duì)稱，壩體成層水平填筑，受力條件也關(guān)于壩軸線對(duì)稱，因此壩體變形和穩(wěn)定性也關(guān)于壩軸線對(duì)稱，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果提取壩體的一半進(jìn)行分析。在施工填筑過程中，通常會(huì)對(duì)沉降和水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)這些資料及時(shí)進(jìn)行分析，判斷模擬計(jì)算結(jié)果的正確性和合理性。因此，文中相應(yīng)給出了沉降、水平位移等值線圖及壩軸線上沉降分布曲線及層面極值沉降分布曲線。

3.1 施工填筑期壩體的變形

工況1和工況2的壩體沉降等值線圖見圖2，水平位移等值線圖見圖3，壩軸線上工況1和工況2的沉降分布曲線和層面沉降極值分布曲線見圖4。

從圖2可以看出：沉降極大值出現(xiàn)在壩軸線上。對(duì)于工況1而言，當(dāng)模擬層厚為2 m時(shí)，沉降極大值出現(xiàn)在壩體中上部，且明顯地分為2個(gè)區(qū)域。一個(gè)極大值區(qū)域中心位于6.1 m左右，另一極大值區(qū)域中心位于7.9 m左右。對(duì)于工況2而言，當(dāng)模擬層厚為1 m時(shí)，最大沉降值出現(xiàn)在壩體中部靠上5.6 m左

圖2 不同工況下壩體沉降等值線

圖3 不同工況下壩體水平位移等值線

(a)沉降分布(b)層面沉降極值分布圖4 沉降分布曲線和層面沉降極值分布曲線Fig．4 Curvesofsettlementdistributionandmaximumsettlementdistributionoflayersurface

右的位置，最大值附近等值線區(qū)域比較飽滿，沉降量小。

從圖3可以看出：工況1和工況2的水平位移分布規(guī)律相似，最大值出現(xiàn)位置相近，都出現(xiàn)在壩高的下部，約3.5 m附近，最大值也相近，約為15 mm。說明水平位移對(duì)填筑層數(shù)的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沉降對(duì)填筑層數(shù)的敏感性。

工況2的水平位移最大值，約是相應(yīng)最大沉降的1/3，可見均質(zhì)土壩的變形以沉降為主。

從圖4(a)可以看出：工況1的沉降分布曲線呈不規(guī)則的波浪型，不符合實(shí)際施工壩體沉降特點(diǎn)；工況2的沉降分布曲線近似呈關(guān)于半壩高對(duì)稱的光滑曲線(除去1 m高度以下沉降)，與實(shí)際施工壩體變形特點(diǎn)相符。在1/3壩高以下，工況1和工況2的沉降分布曲線基本重合，而在1/3壩高以上，工況2的沉降分布曲線經(jīng)過工況1的沉降分布曲線的波谷點(diǎn)，填筑層層面沉降偏大較多，誤差較大。

從圖4(b)可以看出：2種工況的層面沉降極值分布曲線變化趨勢(shì)相似，除了后面填筑的1/5壩高之外，前面填筑的各層層面沉降極值分布曲線近似呈線性變化，工況1的層面沉降極值分布曲線近似以0.35%的變化率線性增加，工況2的層面沉降極值分布曲線近似以0.17%的變化率線性增加；工況1的層面沉降極值遠(yuǎn)大于相應(yīng)位置工況2的層面沉降極值。

如果模擬計(jì)算的沉降計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于監(jiān)測(cè)的沉降值，則要考慮選取的模擬填筑層數(shù)是否太少。若以沉降作為確定模擬填筑層數(shù)的指標(biāo)，對(duì)不同壩高的均質(zhì)土壩，如何選取模擬填筑層數(shù)？經(jīng)過大量分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同壩高的沉降變化規(guī)律一致，這里給出20 m土壩模擬填筑層數(shù)分別為10，15，20層的沉降分布曲線，見圖5。

圖5 不同填筑層數(shù)壩體沉降分布曲線

和前面一樣，仍假設(shè)每層填筑1m，填筑層數(shù)為20層的情況，與實(shí)際施工一樣。從圖5可以看出：填筑10層和填筑15層的沉降，在1/3壩高以上計(jì)算的沉降誤差較大，尤其是靠近壩頂附近區(qū)域，計(jì)算的沉降誤差更大，填筑10層的沉降比填筑15層的沉降誤差更大。對(duì)比圖4中a圖，可看出同樣是填筑10層，但20 m的壩在1/3壩高以上沉降誤差要比10 m的壩在1/3壩高以上沉降誤差大較多。

綜合以上分析，建議對(duì)不同壩高的均質(zhì)土壩，選擇模擬填筑層數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮壩的高度、工程精度要求和計(jì)算效率，選擇合適的模擬填筑層數(shù)?？煞謪^(qū)域選擇填筑層數(shù)，從壩底到1/3壩高左右為第1區(qū)域，靠近壩頂范圍為第3區(qū)域，其它為第2區(qū)域。第1區(qū)域填筑層稀疏，第3區(qū)域填筑層密，第2區(qū)域填筑層居中，即從壩底到壩頂按照疏-中-密的原則選擇填筑層數(shù)。一般來說，壩越高，選取的模擬填筑層數(shù)宜越多。建議模擬填筑層數(shù)不少于10層，根據(jù)沉降分布曲線近似呈關(guān)于半壩高對(duì)稱的光滑二次拋物線的特點(diǎn)，進(jìn)行沉降修正[4,13]。

3.2 壩體的穩(wěn)定性

滑動(dòng)面位置和形態(tài)，可通過破壞狀態(tài)的位移等值線圖來表征。工況1和工況2的壩體穩(wěn)定性系數(shù)都為1.55，整體上壩體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)受填筑層數(shù)的影響較小，使得壩體的穩(wěn)定性受填筑層數(shù)的影響較小。限于篇幅，這里只給出工況2的破壞狀態(tài)的位移等值線圖，見圖6。從圖6可明顯看出均質(zhì)壓實(shí)黏土壩的滑動(dòng)面形狀為圓弧形。

圖6 工況2的破壞狀態(tài)的位移等值線

4 水庫蓄水后壩體的變形及穩(wěn)定性研究

在合理模擬填筑層條件下，下文以工況2為例，進(jìn)一步研究半庫水位和滿庫水位對(duì)壩體變形和穩(wěn)定性的影響。

4.1 水庫蓄水后壩體的變形

半庫水位和滿庫水位時(shí)沉降等值線圖見圖7，水平變形等值線圖見圖8。由圖7、圖8可見，隨著庫水位的抬高，沉降最大值出現(xiàn)位置逐漸向迎水面移動(dòng)，但數(shù)值變化很小。水平位移極大值出現(xiàn)位置逐漸抬高，并向迎水面移動(dòng)，其大小隨著水位的抬高而增加，相對(duì)沉降來說，水平位移對(duì)庫水位的位置更敏感。

4.2 水庫蓄水后壩體的穩(wěn)定性

圖7 半庫及滿庫水位時(shí)壩體的沉降等值線

圖8 半庫及滿庫水位時(shí)壩體的水平位移等值線

圖9 半庫及滿庫水位時(shí)破壞狀態(tài)的位移等值線

半庫水位和滿庫水位時(shí)壩坡的穩(wěn)定性系數(shù)相同，都為1.55，破壞狀態(tài)時(shí)的位移等值線圖見圖9。由圖9可見，滿庫時(shí)的滑坡量要比半庫時(shí)的滑坡量大較多。

5 結(jié) 論

通過研究模擬填筑層數(shù)及水位對(duì)壩體變形及穩(wěn)定性的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 模擬填筑層數(shù)對(duì)水平位移及壩坡的穩(wěn)定性影響較小，應(yīng)以滿足壩體沉降的精度標(biāo)準(zhǔn)選擇模擬填筑層數(shù)。壩越高，選擇的模擬填筑層數(shù)宜越多。建議模擬填筑層數(shù)不少于10層，可從壩底到壩頂分3個(gè)區(qū)域，按照疏—中—密的原則選擇填筑層數(shù)。

(2) 相較沉降和壩坡穩(wěn)定性來說，水平位移對(duì)水位更敏感。不透水地基上壩體不透水時(shí)，水位越高，并不一定壩坡穩(wěn)定性系數(shù)越低，穩(wěn)定性越差，從另一側(cè)面也反映了壩體的透水性是降低壩坡穩(wěn)定性的原因?？紤]壩體透水性的壩坡變形及穩(wěn)定性研究將在后續(xù)工作中開展。

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(編輯：陳 敏)

Influence of the Number of Simulated Filling Layerand Water Level on Dam Deformation and Stability

ZHOU Ai-hong, YUAN Ying, HE Guo-feng

(School of Prospecting Technology & Engineering, Shijiazhuang University of Economics, Shijiazhuang 050031, China)

To select the number of filling layer rationally and consider the influence of water level on deformation and stability is necessary in the numerical simulation of dam deformation and stability. Firstly, deformation and stability coefficient are selected as assessment indexes, and strength reduction method is introduced to calculate the stability coefficient of dam slope. Moreover, 3-D numerical model of layered filling is set up based on FLAC3Dto study the criteria of selecting the number of filling layer. Furthermore, on the basis of appropriate number of filling layer, the effect of water level on the deformation and stability of dam body is discussed. Results show that settlement is the predominant deformation and simulated settlements are closely related with the number of filling layer. Compared with settlement, horizontal displacement and safety factor are less sensitive to the number of filling layer which should be chosen according to the requirement of settlement precision; it is advised that the number of filling layer is not less than 10 layers, and the higher the dam, the more the number of filling layer should be. The horizontal displacement is more sensitive than the settlement and stability coefficient to water level of reservoir. These results are of guiding significance to determining the appropriate number of filling layer simulation.

layered filling; number of simulated filling layer; dam deformation; stability; settlement; stability coefficient; numerical siulation

2013-12-10；

2014-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301015)；國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心開放基金項(xiàng)目(NDSKFJJ1201);石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院國(guó)家自然基金預(yù)研基金項(xiàng)目(SJY20123)

周愛紅(1976-)，女，河北唐山人，副教授，博士，主要從事巖土工程、地質(zhì)災(zāi)害防治和設(shè)計(jì)的教學(xué)和科研工作，(電話)13230163159 (電子信箱)zhouaihong@sjzue.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.021

2015,32(05):110-114

TV641;TV311

A

1001-5485(2015)05-0110-05