雨水渗入对土石坝边坡稳定性影响分析

2020-09-07史建峰鹏远群

公路工程 2020年4期

史建峰，鹏远群

（1.山西路桥第一工程有限责任公司山西太原 030000；2.太原科技大学山西太原 030024）

0 引言

土石坝作为工程建设中一种典型坝型，由于渗流问题使得坝体安全性能下降［1-3］。降雨作为影响土石坝边坡稳定性重要影响因素，使得坝体边坡孔隙水压和渗流场发生变化，出现失稳［4-6］。目前针对降雨条件下土石坝边坡的研究中更多的是基于饱和-非饱和渗流问题下的边坡稳定性分析，如运用统计学原理来表征降雨量和土石坝滑坡间的关联性规律，从降雨入渗诱发滑坡机理角度出发，通过建立雨水渗入后的土坡体内水-土力学和物理化学反应，研究边坡的稳定性［7-9］。在分析降雨和滑坡的内在联系基础上，寻找合理的降雨型滑坡预测和防治方法［10-13］，王一汉［14］等通过有限元法模拟瞬态渗流过程，获得了强降雨环境下边坡基质吸引力对土质边坡稳定性影响，郭伟［15］等发展了应力和两相流耦合理论，考虑降雨条件下的土质边坡浅层破坏状况，并给出了降雨强度、降雨持续时间以及土体饱和渗透系数下膨胀土边坡的稳定性影响作用。本文在相关研究基础上，以某一土石坝滑坡体为例，利用SLOP／W软件建立三维优先模型，获得不同降雨条件下的土石坝稳定性的影响分析。

1 模型构建

1.1 工程背景

该工程坐落于湖北省宜昌市东北部，荆江右岸一级支流滨江中游，坝址以上控制流域68.4 km2，水库库容7 937万m3，正常高水位49.35 m，设计洪水位50.16 m。水库枢纽由主坝、副坝、溢洪坝、坝下涵管组成，主要采用均质坝，坝顶高53.2 m，长724 m，坝顶宽5.0 m，最大坝高26 m，副坝采用均质土坝，坝顶长50 m，坝高16 m，溢洪道采用开敞式自由泄洪溢流设计，全长860.2 m，一期工程高程47.04 m，二期工程在宽顶堰上增设1.5 m高实用堰，水库灌溉涵管采用C25现浇钢筋混凝土结构设计，管长63.52 m，地板高程37.35 m，管断面宽×高为2.2 m×2.2 m。本文主要对带塑性混凝土心墙坝体进行分析，如图1所示为大坝断面结构示意图。

通过对大坝土体进行实地取样，并对土样密度、含水率等进行室内试验分析，获得大坝不同分区材料性能参数见表1所示。

图1 大坝断面结构图（单位：m）Figure 1 Structural diagram of dam section（Unit：m）

表1 大坝各分区材料参数表Table 1 Material parameters table for each zone of the dam

1.2 模型构建

根据大坝实际形态来选定合适的计算断面和区域，将上述模型导入GEOSTUDIO软件中的SEEP／W模块，输入材料参数，进行模型的渗流分析，计算坝体孔隙水压力，并将渗流自由面导入SLOP／W模块进行稳定性分析。选择MODSODE进行模型的单元网格划分，如图2所示为网格划分的模型结构。

图2 模型的有限元网格划分Figure 2 Finite element mesh generation of model

土石坝渗流稳定分析主要是针对土体饱和度、含水率、孔隙水压力等参数的饱和-非饱和问题进行稳定性分析。由于土体初始孔隙水压力、含水量等难以预测，为便于计算，根据已有坝体的水位，计算大坝稳态渗流下的渗流场来确定初始压力水体分布，如图3为获得的坝体初始稳定渗透情况，将他作为模型的初始边界条件，施加在导入的SEEP／W模块进行分析计算。

图3 模型的初始压力水头分布Figure 3 Iinitial pressure head distribution of the model

2 分析与讨论

2.1 降雨强度对边坡影响

根据土石坝所在地区的水文记录数据，选取50、100、150、200 mm／d这4种降雨，通过有限元软件模拟1 d时间段内4种降雨的工况并分析计算，获得坝坡暂态渗流场孔隙水压力分布，如图4为4种降雨强度下对应的24 h暂态渗流场分布。可以看出，不同降雨强度下的坝坡表层土负孔隙水压表现出较大的差异性。随着降雨强度的不断增大，坝坡浅层负孔隙水压力表现出一个逐步下降的趋势。降雨强度较大时，坝坡土体呈现出一个暂态饱和状态，当降雨量持续增大，坝坡土体的孔隙水压力也不会发生较大的改变。这是由于当降雨强度远大于土体入渗能力时，部分雨水在坝坡坡面形成径流，坡面表面不存在积水，因而渗水头压力不会持续性的增长。同时，可以看出，在不同降水量下，坝坡顶部存在的非饱和区较坡脚大，且具有更高的浅层土体负孔隙水压力，这是由于坝坡顶部浅层土具有更高的渗透能力，因而可知，降雨强度对坡脚处负孔隙水压力影响大于坡顶。

图4 不同降雨强度的土坝坡负孔隙水压力图Figure 4 Negative pore water pressure diagram of earth dam slope with different rainfall intensity

采用Slop／W分析4种降雨强度下土石坝坡稳定安全系数，如图5为不同降雨强度下24 h后的坝坡稳定安全系数。可以看出，降雨时间相同时坝坡抗滑稳定安全系数随着降雨强度的增大而不断减小，对坝坡稳定性越不利。

图5 不同降雨强度的土坝坡安全稳定系数Figure 5 Safety and stability coefficients of soil dam slopes with different rainfall intensities

2.2 降雨持续时间的影响

本文分析降雨持续时间对土石坝的影响作用，主要考虑如下两类情况：降雨总量相同，随着降雨强度增大，降雨时间较少；降雨强度不变，随着降雨时间的延续降雨量逐渐增大。如表2为降雨时间设计表。

表2 降雨时间设计方案Table 2 Rainfall time design scheme

图6为降雨强度小、降雨时间长向着降雨强度大、持续时间短的变化趋势下，土石坝坡负孔隙水压力分布云图。可以看出，当降雨总量一定时，降雨强度小、降雨时间长对坝坡的负孔隙水压力影响更大、由于雨水入渗时间长，湿峰影响深度大，导致基质吸力出现大范围下降。从坝坡浅土壤来看，降雨强度大、持续时间短的土坝体负孔隙水压力下降较多，且在一定程度下形成了暂态饱和区，负孔隙水压力到零，整体基质吸力消失。但降雨强度大、持续时间短时，对非饱和区的影响范围相对较小，因此，可以判断降雨强度小、持续时间长作用下土坝坡的稳定性更低。这主要是由于在降雨总量一定条件下，边坡土体较小的渗透系数，当降雨强度大时，多数的雨水将形成径流流失［16］，而不会通过地表渗入坡体内部，除了浅层土壤的基质吸减能力存在一定幅度的下降外，土坝坡体内部基质的吸力并未发生较大的改变。当降雨强度小、降雨时间长时，大部分雨水均通过表层土壤渗入到坡体内部，非饱和区含水量影响面积增大，基质吸引力下降，导致土坝坡体的稳定性下降。

2.3 降雨雨型的影响

为分析降雨雨型对入渗影响，设定降雨总量为400 mm，降雨持续时间24 h，降雨峰值100 mm／d，持续时间1 h，并在初始条件为最大负孔隙水压力-100 kPa下的4种雨型对坝坡稳定性影响，如图7为3种雨型变化曲线。可以看出，当降雨总量一定时，随着降雨峰值数量的增加，峰间降雨强度逐渐减小。当降雨总量400 mm，降雨持续时间24 h，峰值降雨持续时间1 h下的降雨强度达到了100 mm／h，远大于土体饱和渗透系数下的最大入渗量2.35 mm／h，超过的降雨量将以径流形式流走。因此，当降雨总量和降雨持续时间相同时，三峰型较一峰型降雨对坝坡渗流场的影响作用要大于等强型和单峰型降雨。这是因为等强型和单峰型降雨所具有的峰值降雨强度远大于坝坡土壤的入渗能力，使得坝坡面的雨水以径流形式流走，因此对坝坡安全系数和渗流场的影响作用就相对较小。当降雨峰值较多时，峰间降雨强度与土壤的入渗能力较为接近，大部分降雨均渗入到坝体内部，坝体孔隙水压力不断增大，导致土壤吸力出现下降，不稳定性增加［17］。

图6 不同持续时长下的坝体孔隙水压力分布云图Figure 6 Cloud image of pore water pressure distribution of dam body under different duration

图7 不同降雨雨型的选择Figure 7 Selection of different rainfall patterns

2.4 前期降雨的影响

考虑当前期降雨量不同时，后期降雨结束后对坝坡的影响作用。本文确定2种方案：①前期降雨量50 mm，后期降雨量120 mm。②前期降雨量120 mm，后期降雨量50 mm。2个方案的降雨时间均为1 d。设定前、后期降雨时间间隔为1、2、5、10、20 d。设定最大负孔隙水压力-100 kPa，获得2种方案下的土坝安全系数，如图8所示。

图8 不同前降雨间隔天数对土坝坡的安全系数影响Figure 8 Influence of rainfall interval days on safety factor of earth dam slope before different periods

由于前期降雨量作为后期降雨的初始条件，因此，前期降雨量不同将导致后期降雨初始坝坡土壤含水量变化，因而使得土壤基质吸力和渗透系数发生改变，最终造成坝坡稳定安全系数发生改变。从图8中可以看出，前后两次降雨间隔时间对边坡稳定安全系数具有较大的影响，且稳定安全系数随着前后间隔时间的缩短而表现出逐步下降趋势，坝坡的稳定性不断下降。当降雨总量一定时，方案1对坝体影响更大，即前期降雨量小而后期降雨量多时，坝体安全系数下降，当前后期降雨时间间隔在5～20 d时，安全系数略有下降，降雨时间间隔超过20 d后，随着时间间隔的增大，坝体的安全系数不断增大。当两次降雨间隔时间较短时，前期降雨较大时坝体稳定安全系数变化幅度更大，当两次降雨间隔时间较长时，坝体的稳定安全系数主要受后期降雨量影响。