孫 洋，羅 偉，，榮 耀，李佳寶

（1. 江西省交通科學研究院有限公司，江西 南昌 330200； 2. 華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

在水利水電設施的修建過程中，大多數(shù)建筑物修筑需要在隔水環(huán)境下作業(yè)，通過修建圍堰，能夠盡量避免水體作用對工程造成的不利影響，保障排水、基坑開挖、建筑物修筑的順利進行。 圍堰作為土木水利工程修筑的重要設施，其穩(wěn)定性對工程建設的安全性、經濟性、可靠性等至關重要[1-3]。

在工程建設施工完成進入正常運營狀況后，對庫岸堰坡穩(wěn)定性造成影響的外界因素主要為降雨過程中雨水的滲透作用[4-11]。國內外學者對降雨條件下堰體穩(wěn)定性變化情況進行了大量的研究實驗。 史振寧等[12]結合非飽和土抗剪強度理論與極限平衡理論，設計降雨入滲試驗模型，探究土體初始含水率分布狀態(tài)及降雨入滲條件下土體含水量變化規(guī)律。Casagli 等[13]模擬了多種類型滑坡的滲流過程，通過研究土體內正負孔隙水壓力以及邊坡穩(wěn)定性的變化情況， 發(fā)現(xiàn)坡體最不穩(wěn)定是在降雨量到達高峰后的幾個小時內。周璐等[14]采用Abaqus 有限元軟件，考慮不同降雨條件， 研究砂礫體圍堰中軸面和背水面的滲流及穩(wěn)定性規(guī)律。 目前國內外學者對降雨條件下圍堰穩(wěn)定性研究仍有不足， 尤其是對不同雨型條件下圍堰穩(wěn)定性的變化規(guī)律方面的研究需進一步完善。

1 工程概況

依托江西省某航電樞紐圍堰工程展開研究，正常蓄水位為15 m。 所處流域位于亞熱帶季風氣候區(qū)，根據資料統(tǒng)計顯示，單測站年最大降雨量2 833.9 mm，年最小降雨量923.7 mm，多年平均降雨量為1 820.5 mm。 持續(xù)性強降雨多發(fā)生在6月， 平均每次過程持續(xù)2～3 d， 單日最大降雨量為178.4～287.2 mm，以單峰型降雨為主，峰區(qū)主要集中在降雨中后期。

據地質勘查資料顯示其覆蓋層上部為0.40～5.20 m 厚粉質粘土，中等透水性；覆蓋層中部為粉細砂、中細砂等，松散狀，中強透水性，分布連續(xù)，場均均有分布。 為了提高建模分析的準確性，在圍堰洪水期拆除之時， 進行現(xiàn)場取樣并完成土工試驗，進而獲取實際圍堰填筑材料的物理力學特性。

2 有限元模型構建

2.1 Geo-Studio 數(shù)值模擬

Geo-Studio 是適用于巖土工程模擬計算的仿真分析軟件，結合軟件自帶模塊中的邊坡穩(wěn)定分析模塊SLOPE/W 與穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流模塊SEEP/W，通過選取庫中的典型土壤參數(shù)，或輸入土水函數(shù)曲線以及水力傳導曲線等材料參數(shù)來進行模型的構建，基于滲流情況運用極限平衡法中的Morgenstern-Price 對堰體的穩(wěn)定特性進行分析[15-17]。

2.2 模型建立

以江西省某航電樞紐項目圍堰為依托，根據地質勘查資料與土工試驗確定土體物理力學性能參數(shù)（見表1），按二維問題對其進行降雨條件下的滲流場數(shù)值計算和穩(wěn)定性分析。表1 中γ 為容重，φ 為內摩擦角，c 為黏聚力，k 為滲透系數(shù)，θs為飽和體積含水量。

表1 圍堰材料主要物理力學性能參數(shù)Tab.1 Main physical and mechanical property parameters of cofferdam materials

假設堰體為均質材料，構建長80 m，高20 m，堰體高10 m 的簡化模型，上下游堰坡坡比均為1∶2，網格剖分為1 193 個節(jié)點，1 107 個單元。 左側擬定上游初始水位15 m，右側擬定下游水位10 m，現(xiàn)場實測數(shù)據表明降雨對上下游水位影響較小，故在分析中假定上、下游水位保持恒定，均設置為相應定水頭邊界；基礎底部設置為不透水邊界；坡頂和坡面設置為降雨邊界。 在堰體中部設置一條觀測斷面以分析堰體內孔隙水壓力變化情況（圖1）。

圖1 圍堰模型尺寸及網格劃分圖Fig.1 Model size of cofferdam and meshing diagram

土體材料的體積含水量函數(shù)由于其相關參數(shù)的及時獲取難度較大， 為便于研究， 采用1980 年Van[18]提出的閉合基質吸力函數(shù)來描述土的體積含水量及滲透系數(shù)的計算模型

式中：θw為體積含水量；kw為指定基質吸力計算所得滲透系數(shù)，m/s；θr為殘余含水量；θs為飽和體積含水量；ks為飽和滲透系數(shù)，m/s；ψ 為負孔隙水壓力，Pa；a，m，n 為曲線擬合參數(shù)，n＞1，且n=1/(1－m)。

根據材料參數(shù)擬合出體積含水量函數(shù)與滲透系數(shù)曲線結果如圖2，圖3 所示。

圖2 體積含水量函數(shù)Fig.2 Water content volume function

圖3 滲透系數(shù)函數(shù)Fig.3 Permeability coefficient function

運用穩(wěn)態(tài)分析得到邊坡內孔隙水壓力、體積含水量的分布規(guī)律，以設置模型的初始條件。 由于堰體材料的入滲能力受體積含水量變化的影響，入滲流量并不完全等同于降雨量，需要對堰坡表面的流量設置不同的邊界條件。 當降雨強度較大，超出堰坡表面土體入滲能力時，設置該表面入滲速率與土體入滲能力相等；當降雨強度較小，低于堰坡表面土體入滲能力時， 降雨強度即為該表面的入滲速率。 在本文的分析中，不考慮蒸騰作用對堰坡滲流場的影響。

2.3 方案設計

研究中依次設定了360，600，840 mm 3 種累積雨量，降雨持時3 d，并設置前、中、后峰及均勻型4種不同雨型來模擬降雨條件下堰體內部滲流場的變化規(guī)律，具體設計方案見圖4。

圖4 840 mm 雨型方案設計Fig.4 840 mm rain pattern scheme design

3 圍堰滲流穩(wěn)定性分析

初始條件下圍堰內部孔隙水壓力分布情況如圖5 所示，均勻型降雨情況下觀測斷面孔隙水壓力隨時間演化情況如圖6 所示。

圖5 初始條件下孔隙水壓力云圖（單位：kPa）Fig.5 Pore water pressure nephogram under initial conditions（Unit：kPa）

圖6 均勻型降雨下觀測斷面孔隙水壓力隨時間演化情況Fig.6 Pore water pressure evolution of section with time under uniform rainfall

在降雨前期， 由于堰體表層土體還比較干燥，土體的體積含水量與滲透系數(shù)較低，該階段土體具有極強的入滲能力， 一旦少量雨水開始入滲時，就會形成很高的吸力梯度。 降雨開始后坡頂處孔隙水壓力迅速提高，雨水滲入表層土體后在壓力作用下不斷向下滲透；隨著降雨的持續(xù)，雨水持續(xù)入滲坡體內部，堰體內部孔隙水壓力逐漸增大，這會導致土體有效應力減小，最終弱化堰體抗剪強度，對整體穩(wěn)定性產生不利影響。 在降雨結束后，表層土體缺乏雨水補給后孔隙水壓力逐漸消散，而深層土體孔隙水壓力保持上升趨勢，直至第4 天才開始緩慢消散， 第6 天時圍堰內部17 m 處僅恢復至初始孔隙水壓力的72.8%， 這表明降雨對堰體影響具有滯后性，雨停后依舊對堰體深部滲流場造成影響。 為探究雨型對堰坡穩(wěn)定性的影響機理， 取總降雨量840 mm 時， 對4 種雨型下不同深度的坡內土體滲透系數(shù)進行分析，如圖7 所示。

圖7 840 mm 不同雨型下滲透系數(shù)變化曲線Fig.7 840 mm variation curve of permeability coefficient under different rain patterns

前峰雨型初期雨強較大，堰坡表面土體初始飽和度較低，滲透系數(shù)較低，雨水供給速度大于雨水消散速度，導致表層土體在大量雨水作用下迅速飽和，形成暫態(tài)飽和區(qū)，部分雨水以地表徑流形式流走；隨著降雨進行，表層土體體積含水量升高，入滲能力隨之增強，加速雨水向坡體內入滲，坡內土體滲透系數(shù)逐漸上升，入滲飽和區(qū)增大，土體抗剪強度降低，由于前峰型降雨中后期雨量較小，外層土體雨量供給不足， 雨水消散速度大于供給速度，飽和度開始下降；后峰雨型堰坡表層土體在前中期降雨的作用下體積含水量升高，導致后期雨量較大時土體滲透系數(shù)處于較高水平，大量雨水能夠迅速滲入土層內部，堰坡土體強度大幅下降。

由安全系數(shù)變化曲線可知：在不同累計降雨總量下，初期前峰型安全系數(shù)下降速率最快，隨后依次為均勻型、中峰型、后峰型，表明降雨初期雨量越大，堰體穩(wěn)定性降低越快；不同累計降雨量下，在降雨結束時刻， 均為后峰型條件下堰體安全系數(shù)最低，降雨1.5 d 后，前峰、中峰雨型下堰體安全系數(shù)依次開始回升，均勻型與后峰型安全系數(shù)均在停雨后開始回升，由于后峰雨型后期雨量較大，堰體內部孔隙水壓力需要更長時間消散，安全系數(shù)需更長時間回升至初始狀態(tài)；不同雨型對堰體強度滯后性的影響由大到小依次為：后峰型，均勻型，中峰型，前峰型，如圖8 所示。

圖8 不同雨型及累計降雨量下安全系數(shù)變化曲線Fig.8 Variation curve of safety factor under different rain types and cumulative rainfall

上述分析結果表明：降雨過程中，堰體穩(wěn)定性隨降雨時長逐漸降低，在降雨初期，雨強越大，堰坡穩(wěn)定性下降幅度越大，相同雨量下，后峰型降雨對堰坡土體穩(wěn)定性影響最大，初期安全系數(shù)降低速率最快的是前峰雨型， 但其對堰體穩(wěn)定性的影響最小，后峰型降雨對堰體穩(wěn)定性的影響最大。

4 結論

通過模擬江西省某航電樞紐圍堰工程降雨入滲過程， 分析不同雨型條件堰體穩(wěn)定性變化情況，得出以下結論。

1） 降雨對堰體影響具有滯后性，雨停后依舊對堰體深部滲流場造成影響，不同雨型對堰體強度滯后性的影響由大到小依次為：后峰型、均勻型、中峰型、前峰型，且降雨強度越大，滯后性越強。

2） 降雨入滲作用的影響程度不僅僅由降雨總量決定，同時也受降雨峰值出現(xiàn)的時間影響，同等降雨量情況下，堰體的安全系數(shù)隨降雨強度峰值出現(xiàn)而驟減，越先出現(xiàn)雨強峰值的初期安全系數(shù)降低速率越快，峰值出現(xiàn)時間越晚，總體安全系數(shù)下降的幅度越大，對堰體的穩(wěn)定性越不利。

3） 堰體初始情況下含水量較低，土體滲透系數(shù)較弱，對初期強降雨具有一定的抵抗能力；在降雨持續(xù)一段時間后，堰坡內土體含水量升高，土體滲透系數(shù)將處于一個高水平狀態(tài)，此時若面臨突發(fā)強降雨，坡內將滲入大量雨水，大幅影響土體抗剪強度，對堰坡整體穩(wěn)定性極為不利，建設單位在多發(fā)單峰強降雨的夏季應當加強圍堰的防排水措施，以消除事故隱患，降低安全風險。