雷海林,張萬(wàn)棟,張漢康

(1.溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 溫州 325000;2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300000)

0 引 言

在水利工程中,土石壩因其對(duì)復(fù)雜地形和地質(zhì)條件的適應(yīng)性以及較好的經(jīng)濟(jì)效益而得到廣泛應(yīng)用,也是目前壩工建設(shè)中被普遍采納的大壩類(lèi)型[1]。隨著建造工藝的不斷改進(jìn),心墻土石壩的建造方法日趨成熟,國(guó)內(nèi)外已修建了大量的心墻土石壩[2]。由于修建時(shí)間較早以及施工質(zhì)量不合格、施工規(guī)程不健全、未按規(guī)定進(jìn)行維修等原因,大部分土石壩存在壩坡失穩(wěn)、滲漏量大等不同程度的安全問(wèn)題。因此,應(yīng)對(duì)大壩建設(shè)后的安全隱患進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè),并采取相應(yīng)的措施加以治理,以保證大壩的安全運(yùn)行。

針對(duì)大壩的穩(wěn)定性,應(yīng)從邊坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定等方面進(jìn)行全面的分析和評(píng)價(jià)。特別是大壩防滲穩(wěn)定問(wèn)題,對(duì)判定大壩是否安全,是否出現(xiàn)大量滲漏,以及滲漏物中是否含有土料等具有重要意義。大壩邊坡穩(wěn)定性破壞的基本特點(diǎn)是:不論其內(nèi)部變形機(jī)制為廣義剪切或塑性,均會(huì)導(dǎo)致邊坡發(fā)生位移,而位移是壩坡內(nèi)在作用的外部體現(xiàn)。

一般情況下,是在大壩的下游設(shè)置一套檢漏設(shè)備來(lái)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)建立了基于彈塑性理論和有限元分析的多學(xué)科分析方法,并研制出大型計(jì)算程序,如Abaqus、 Ansys等[3-4]。目前的研究對(duì)心墻土石壩的應(yīng)力變形等分析已較為完善,但仍缺乏對(duì)黏土心墻的滲漏安全、穩(wěn)定性等有效監(jiān)測(cè)[5-6]。為此,本文以林溪水庫(kù)擋水壩作為研究對(duì)象,采用有限元方法,對(duì)其力學(xué)性能等進(jìn)行模擬監(jiān)測(cè)。同時(shí),采用強(qiáng)度折減法,分析壩體的穩(wěn)定性。研究旨在通過(guò)對(duì)水利工程壩體的力學(xué)性能、穩(wěn)定性等的監(jiān)測(cè)過(guò)程,獲得大壩工程安全性問(wèn)題的科學(xué)有效解決方法,為黏土心墻土石壩的安全施工建設(shè)及運(yùn)行管理提供理論依據(jù)。

1 基于有限元方法的水利工程壩體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法

1.1 工程概況

林溪水庫(kù)位于瑞安市林川鎮(zhèn)水干岸村,壩址距林溪河口6km。水庫(kù)集雨面積52.5km2,河源長(zhǎng)度8.78km,河床坡降3.15%,水庫(kù)總庫(kù)容1 945×104m3。樞紐工程包括主壩、副壩、溢洪道、水電站等,其中主壩為黏土心墻壩,外部為砂礫壩殼,最大壩高41.50m,壩頂高程85.60～85.95m,壩頂寬3.0m,長(zhǎng)243m,壩底寬216.50m。上游壩坡自上而下坡比分別為1:2.50、1:3.24、1:3.25,在73.63m處設(shè)有寬2.5m的馬道。下游壩坡自上而下坡比分別為1:2.14、1:2.30、1:2.51,在73.99、59.14、47.46m處分別設(shè)有寬1.5、4.0、6.2m的馬道,在53.35m高程處設(shè)有堆石排水棱體。

大壩副壩為黏土心墻土石壩,外部為砂礫壩殼,最大壩高34.42m,壩頂高程85.45～85.64m,壩頂寬3.2m,長(zhǎng)度75m,壩底寬45m。上游壩坡自上而下坡比分別為1:2.30、1:2.54,在73.93m處設(shè)有寬1.5m的馬道。下游壩坡自上而下坡比分別為1:1.90、1:1.65,在74.11m處設(shè)有寬2.3m的馬道。

輸水隧洞位于副壩左壩肩下,洞長(zhǎng)165m,洞身直徑1.9m,鋼筋砼襯砌,進(jìn)口底高程58.28m,出口底高程32.41m。溢洪道位于副壩左岸,設(shè)計(jì)時(shí)溢洪道為實(shí)用堰,堰頂高程78.28m,堰頂凈寬40m?，F(xiàn)狀溢洪道形式為寬頂堰,被小山頭隔開(kāi),分為兩段:左段堰寬21.95m,堰頂高程71.29m;右段堰寬16m,堰頂高程71.36m。電站包括3臺(tái)機(jī)組,2臺(tái)630kW、1臺(tái)400kW,總裝機(jī)1 660kW。

除險(xiǎn)加固一期工程實(shí)施后,水庫(kù)正常水位71.29m,正常庫(kù)容689×104m3,設(shè)計(jì)洪水位(P=1%)77.46m,校核洪水位(P=0. 05%)79.27m,水庫(kù)總庫(kù)容1 432×104m3。最終規(guī)模為:水庫(kù)正常水位78.28m,正常庫(kù)容1 325×104m3,汛限水位76.28m,防洪高水位81.11m,設(shè)計(jì)洪水位(P=1%)82.77m,校核洪水位(P=0. 05%)84.96m,水庫(kù)總庫(kù)容2 128×104m3。

林溪水庫(kù)主、副壩表面變形觀(guān)測(cè)(垂直、水平位移)每季度一次,觀(guān)測(cè)年度共4次,大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢查維護(hù)每年度兩次。

1.2 水利工程壩體安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

林溪水庫(kù)大壩已設(shè)立如下安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目:壩體表面變形監(jiān)測(cè)(垂直、水平位移)、滲流監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等[7]。變形觀(guān)測(cè)主要為主壩、副壩的豎向位移及水平位移觀(guān)測(cè)。大壩表面變形監(jiān)測(cè)包括水平位移監(jiān)測(cè)和垂直位移監(jiān)測(cè),水平位移采用視準(zhǔn)線(xiàn)法觀(guān)測(cè),豎向位移采用水準(zhǔn)測(cè)量觀(guān)測(cè)。

主壩共設(shè)4排測(cè)線(xiàn),分別是上游壩坡正常蓄水位以上、壩頂上游側(cè)、下游壩坡一級(jí)馬道、下游壩坡二級(jí)馬道。下游壩坡二級(jí)馬道測(cè)線(xiàn)設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn),其余每排測(cè)線(xiàn)設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn),分別布置在壩軸線(xiàn)樁號(hào)0+028.50、0+078.50、0+108.50、0+138.50和0+188.50,共計(jì)18個(gè)測(cè)點(diǎn)。在每排測(cè)線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上兩岸設(shè)工作基點(diǎn)和校核基點(diǎn)各1個(gè),共計(jì)8個(gè)工作基點(diǎn)和8個(gè)校核基點(diǎn)。副壩共設(shè)4排測(cè)線(xiàn),分別是上游壩坡正常蓄水位以上、壩頂上游側(cè)、下游壩坡馬道、下游壩坡。每排測(cè)線(xiàn)設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn),分別布置在壩軸線(xiàn)樁號(hào)0+028.00和0+054.50,共計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)。在每排測(cè)線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上兩岸設(shè)工作基點(diǎn)和校核基點(diǎn)各1個(gè),共計(jì)8個(gè)工作基點(diǎn)和8個(gè)校核基點(diǎn)。工作基點(diǎn)和校核基點(diǎn)建在弱風(fēng)化基巖上,每條測(cè)線(xiàn)基點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)通視。另外,在主副壩下游1～2km范圍內(nèi)適當(dāng)位置各布設(shè)2個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn),用以監(jiān)測(cè)大壩表部的沉降和位移。

主壩防滲墻應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面分別為主壩0+052.00m、主壩0+108.00m、主壩0+164.00m,共布設(shè)52支單向應(yīng)變計(jì)。為了觀(guān)測(cè)墻體混凝土因自身溫濕度條件變化引起的自身體積變形,在應(yīng)變計(jì)附近布置無(wú)應(yīng)力計(jì),共計(jì)11支。副壩防滲墻應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面分別為副壩0+024.00m、副壩0+040.00m、副壩0+056.00m,共布設(shè)34支單向應(yīng)變計(jì)、6支無(wú)應(yīng)力計(jì)。主壩選取3個(gè)觀(guān)測(cè)斷面,用以觀(guān)測(cè)主壩壩體與壩基滲流情況;副壩選取3個(gè)觀(guān)測(cè)斷面,以觀(guān)測(cè)副壩壩體與壩基滲流情況,分別布置滲壓計(jì)3、6和3支,共12支滲壓計(jì)。在主壩壩腳設(shè)置1套量水堰,并安裝堰上水位計(jì),進(jìn)行主壩壩后滲漏量觀(guān)測(cè)。觀(guān)測(cè)過(guò)程中,遵循觀(guān)測(cè)儀器、觀(guān)測(cè)路線(xiàn)、觀(guān)測(cè)方法、觀(guān)測(cè)環(huán)境、觀(guān)測(cè)人員五固定原則。

土石壩的非穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算可用于三維非均質(zhì)且力學(xué)形狀隨方向變化的土體,并且該計(jì)算也符合Darcy滲流定律[8]。研究采用滲流計(jì)算原理的基本微分方程,對(duì)大壩的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)滲流進(jìn)行求解。滲透計(jì)算分為3個(gè)不同的工況:工況1是在正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行,大壩上游水位對(duì)應(yīng)高程71.29 m,下游不加水頭;工況2為大壩上游施加死水位水頭,高程59.28 m,下游不加水頭;工況1與工況2均分析穩(wěn)態(tài)滲流情況。工況3為上游水頭由校核洪水位水頭,高程78.98～83.58m時(shí),進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)滲流的計(jì)算分析。

堆石料的應(yīng)力應(yīng)變特性可用鄧肯張E-B模型進(jìn)行描述[9]。模型有關(guān)參數(shù)包括切線(xiàn)彈性模量Et、切線(xiàn)模量系數(shù)K、切線(xiàn)模量指數(shù)n、大氣壓力Pa等,此類(lèi)參數(shù)均可通過(guò)三軸試驗(yàn)得到,因此選擇合適的接觸關(guān)系和接觸單元是進(jìn)行模擬接觸面模型的基礎(chǔ)。研究采用Goodman單元作為相鄰接觸面的介質(zhì),兩種不同類(lèi)型的無(wú)厚度接觸面單元見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)厚度六面體與五面體接觸單元

壩體建成后即進(jìn)入蓄水階段,在該階段堆石料往往會(huì)產(chǎn)生浮力和浸水濕化效應(yīng),將導(dǎo)致堆石料的濕化變形。在土石壩有限元非線(xiàn)性模擬中,需要使用分級(jí)添加荷載的方法模擬該過(guò)程。在對(duì)土石壩進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),必須盡量與壩體的實(shí)際填筑情況相吻合,使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。因此,在各層級(jí)上均要選擇相應(yīng)的分析步驟來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

1.3 基于有限元方法的黏土心墻土石壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算方法研究

邊坡的穩(wěn)定性及壩體加固處理通常需要基于壩體的穩(wěn)定分析,目前常用的方法包括極限平衡法、極限分析法、數(shù)值方法等。其中,有限元強(qiáng)度折減法具有較強(qiáng)的適用性,常被用于邊坡穩(wěn)定分析。畢肖普曾提出強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù),可用于分析圓弧滑動(dòng)面[10]。強(qiáng)度折減法原理是在理想彈塑性有限元計(jì)算中,通過(guò)不斷折減巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ,直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。此時(shí),強(qiáng)度折減系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs1。當(dāng)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí),土體承受的剪應(yīng)力計(jì)算表達(dá)式如下:

τ=ccr+σtanφcr

(1)

式中:τ為土體承受的剪應(yīng)力;σ為正應(yīng)力;ccr、φcr為臨界平衡狀態(tài)下的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

(2)

其中,Fs1會(huì)隨著點(diǎn)的位置而改變,而且還會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。當(dāng)通過(guò)這一點(diǎn)時(shí),滑動(dòng)面的方向也發(fā)生了變化。應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí),邊坡安全系數(shù)的合成系數(shù)依賴(lài)于失穩(wěn)準(zhǔn)則。通常以特征點(diǎn)位移的突發(fā)性、塑性區(qū)的連通性和數(shù)值計(jì)算的收斂性,作為邊坡失穩(wěn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在建立有限元模型后,根據(jù)Mohr-Coulomb(摩爾-庫(kù)侖)強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則,選取位移收斂標(biāo)準(zhǔn)作為邊坡的破壞依據(jù)?；谶吰掳踩禂?shù)定義,假設(shè)利用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則描述邊坡土體。Zienkiewicz等在1975年提出強(qiáng)度折減系數(shù),用其來(lái)解決與土工彈塑性有限元分析相關(guān)的問(wèn)題。強(qiáng)度折減法示意圖見(jiàn)圖2[12]。

圖2 強(qiáng)度折減法示意圖

摩爾-庫(kù)侖模型是基于材料破壞時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓提出的,破壞線(xiàn)是圖2中與這些莫爾圓相切的直線(xiàn)。在σ～τ坐標(biāo)系中,土體恰好實(shí)現(xiàn)極限平衡,并發(fā)生剪切破壞。K是指在邊坡處于臨界破壞條件時(shí),可以進(jìn)行調(diào)整的數(shù)值。通過(guò)多次計(jì)算,即可得到臨界條件。此時(shí)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為ccr、φcr、Kcr=1。則Fs的計(jì)算表達(dá)如下:

(3)

通過(guò)上述分析,強(qiáng)度折減法的實(shí)質(zhì)即調(diào)整Fs。讓A線(xiàn)條接近C線(xiàn)條,直至與摩爾圓相切,從而得到安全系數(shù)。

本次研究以林溪水庫(kù)壩體為研究對(duì)象,通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法分析其穩(wěn)定性。然后根據(jù)壩體剖面,利用ADINA軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。在進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí),壩基的計(jì)算范圍沿著壩踵向上游方向延展60m,再沿著壩趾向下游方向延展60m,深度方向再延展90m。

2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)將大壩變形以向下游作為正,向左岸作為正,反之為負(fù);豎向位移以向下為正,向上為負(fù),本次水平位移及豎向位移方向規(guī)定以此為標(biāo)準(zhǔn)。研究主要針對(duì)林溪水庫(kù)的表面變形、壩體滲流自動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,對(duì)壩體變形、滲流等主要效應(yīng)量在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律進(jìn)行分析。并對(duì)各觀(guān)測(cè)值的特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,判斷變化規(guī)律和特征值是否正常,以此對(duì)大壩的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖3為林溪水庫(kù)主壩與副壩的水平位移結(jié)果。

圖3 林溪水庫(kù)主壩與副壩的水平位移結(jié)果(2021年)

由圖3可知,經(jīng)2021年度4次平面觀(guān)測(cè)后,主副壩相鄰期觀(guān)測(cè)值之間的差值極小,變化幅度在-4.01～+3.79mm之間,即向下游偏離最大不超過(guò)3.79mm,向上游偏離最大不超過(guò)4.01mm。大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變幅均在2mm以?xún)?nèi),且累積變化量均不超過(guò)4mm,大壩平面位移均處于穩(wěn)定狀態(tài)。由水平位移過(guò)程曲線(xiàn)圖可知,主副壩水平位移偏離軸線(xiàn)的趨勢(shì)整體較為統(tǒng)一,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均在第三期時(shí)存在明顯的向上游、向下游的偏離趨勢(shì),其他幾期偏離軸線(xiàn)趨勢(shì)均不明顯。

林溪水庫(kù)主壩與副壩的沉降結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,2021年度4次沉降觀(guān)測(cè)中相鄰期沉降觀(guān)測(cè)值之間的差值均較小,變化幅度在-7.10～+4.10mm之間,即向下沉降最大不超過(guò)7.10mm,向上隆起最大不超過(guò)4.10mm,且2021年度的最大累積沉降量主壩不超過(guò)5.5mm,副壩不超過(guò)6.8mm,可判定主副壩沉降穩(wěn)定。主壩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)基本一致,前三季度整體逐漸向上隆起,第四季度整體沉降。副壩各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)無(wú)整體規(guī)律,呈隆起、沉降交替狀態(tài)。

圖4 林溪水庫(kù)主壩與副壩的沉降結(jié)果(2021年)

表1為壩體滲流和滲透坡降計(jì)算結(jié)果。由表1可知,采用水動(dòng)力學(xué)方法,對(duì)上游水位71.29m處的滲流量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到高水頭條件下剖面單寬滲流量為0.95m2/d;采用有限元方法計(jì)算時(shí),剖面單寬滲流量為0.86m2/d。在正常情況下,大壩的日滲漏量為每天77.76m3;在死水位條件下,大壩總的日滲漏量為46.65m3。在正常蓄水條件下,大壩泄水口的滲流坡降為1.502;在死水位條件下,大壩溢流點(diǎn)的滲透系數(shù)為0.896,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大壩的容許滲透系數(shù)。

表1 林溪水庫(kù)水壩壩體滲流和滲透坡降計(jì)算結(jié)果

采用有限元強(qiáng)度折減法,對(duì)壩體3種工況下壩坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,在穩(wěn)定滲流期下游壩坡穩(wěn)定階段,壩坡的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.43。在水庫(kù)水位降落期上游壩坡穩(wěn)定階段,壩坡的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.29。在地震作用時(shí)下游壩坡穩(wěn)定階段,壩坡的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.21。同時(shí),計(jì)算得到的3種工況下的Fs并未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。

圖5 3種工況下的壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)林溪水庫(kù)大壩的監(jiān)測(cè)和分析,采用有限元法,對(duì)大壩的力學(xué)性能和穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果顯示,壩體的水平位移及沉陷符合常規(guī)土石壩的變形規(guī)律。在使用過(guò)程中,由儀表測(cè)量出的各種位移值變動(dòng)幅度很小,各部位各點(diǎn)的變形也不顯著。采用水力學(xué)方法,計(jì)算上游水位高程71.29m時(shí)的滲流量,有限元結(jié)果為69.1m3/d。在正常蓄水情況下,大壩滲漏點(diǎn)的滲流坡降為1.502。在死水位情況下,心墻逸出點(diǎn)平均滲透坡降僅有0.896,遠(yuǎn)小于壩體容許滲水系數(shù),基本沒(méi)有發(fā)生滲水破壞。在穩(wěn)定滲流期、庫(kù)水位降低階段、地震作用階段,其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.43、1.29和1.21。在3種工況下的Fs并未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值,因此林溪水庫(kù)壩體的抗滑穩(wěn)定性達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。