某土石坝坝坡稳定与防渗体影响分析

2021-11-04黄锦林高志涵张建伟

广东水利水电 2021年10期

黄锦林，高志涵，张建伟，侯福

(1. 广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2. 广东省岩土工程技术研究中心，广州 510635；3. 华北水利水电大学水利学院，郑州 450046)

1 概述

土石坝由于具有结构简单、节省钢材、对地形地质条件的适应性强等优点，在世界范围内得到广泛应用。我国目前建造了约8.3万座土石坝，其中约30%的垮坝事故是由渗流和坝坡失稳引起的[1]。土石坝在上游水压力作用下将会沿着土体空隙产生渗流，渗流的存在不利于土石坝的安全运行，过大的渗流坡降会诱发土体产生流土破坏；坝内渗流会加剧土体的冲刷，水流将细小颗粒从渗流通道中带走，发生管涌破坏；土石坝的内部存在浸润线，浸润线以下的饱和土体受到向上的浮托力，减轻了抵抗滑动的有效重量，不利于土石坝的稳定[2]；土石材料浸水之后，其抗剪强度指标将会下降，在渗流力和重力的作用下，坝坡容易出现滑动失稳。渗流和稳定分析是土石坝设计中必须考虑的内容，也是大坝风险评估和安全监测的重要依据。我国在20世纪建造了大量的土石坝，部分土石坝到现在已经发展成了病险大坝，渗流和稳定问题日益突出[3]。因此，对土石坝的渗流与稳定开展研究很有必要。

国内外学者对土石坝的渗流和稳定问题做了较多的研究。周清勇等[4]分析了混凝土防渗墙的施工缺陷对土石坝渗流的影响，得出防渗墙的各类施工缺陷造成的坝内渗流的变化情况。梁凯圣等[5]使用Geo-Studio有限元软件分析了库水位快速下降对土石坝内部渗流的影响，并得出各种工况下临水坡面的安全系数。张建伟等[6]使用ABAQUS有限元软件对守口堡胶凝砂砾石坝进行应力分析，研究了胶凝砂砾石坝在正常蓄水位和超载两种工况下应力和变形的特点。齐小静等[7]使用强度折减法计算了土石坝在正常蓄水位渗流稳定期和库水位骤降两种工况下的安全系数，并探究了土石坝失稳的判断依据。倪沙沙[8]使用有限元方法分析了降雨入渗对土石坝及坝坡稳定性的影响，并研究了降雨强度和降雨历时各自的影响程度。王鹏全等[9]基于Geo-Studio研究了粘土心墙防渗体的渗透系数、高度和心墙上游坡度对土石坝渗流和稳定的影响，得到各因素对渗流和稳定的影响水平，并比选出最优的心墙构造组合。罗日洪等[10]通过建立土坝非饱和渗流模型，结合坝体土体允许坡降，反推库水位的安全蓄水速度，以确定某新建水库合理的蓄水时间。

本文以某土石坝为研究对象，结合基本资料，利用ABAQUS有限元软件，对土石坝在设计洪水位和校核洪水位工况下的上下游坝坡稳定性进行分析。在此基础上进行敏感性分析，探究单独移除混凝土防渗墙、粘土心墙和水平排水带后，上下游坝坡在两种工况下的稳定情况，通过对比前后坝坡稳定安全系数的变化来探究各防渗设施对坝坡稳定的影响。

2 工程实例

2.1 工程概况

某土石坝位于淮河上游干流上，是一座以防洪、灌溉、供水为主，兼顾发电、水产养殖的大型水利枢纽。水库的正常蓄水位为88 m，设计洪水位为95.78 m，校核洪水位为98.12 m。土坝的坝顶高程为100.4 m，坝底高程为80 m，坝顶宽度为8 m，坝顶设1.2 m高防浪墙。大坝上游坝坡分为3级，从上往下坡比分别为1:2.5、1:2.75和1:3。分别在95 m高程设置7 m宽的压重平台，在87 m高程设2 m宽马道；下游坝坡亦分为3级，自上而下坡比分别为1:2.25、1:2.5和1:2.75，在95 m高程处设置5 m宽的压重平台，在87 m高程处设2 m宽马道。防渗体采用粘土心墙，心墙顶部宽度为4 m，心墙的上、下游坡率均为1:0.5。心墙底部还设置了宽1 m、高9.5 m、与土石坝轴线平行布置的混凝土防渗墙。防渗体上游设置水平宽度为3 m的粗砂反滤层，下游分别设水平宽度为3 m的粗砂反滤层、2 m宽的碎石排水带和1 m宽的过渡料层，其底部通过水平排水带与土石坝下游的贴坡排水相连，共同组成坝体的排水系统。

该土石坝的截面如图1所示。

图1 某土石坝横截面示意

2.2 有限元模型建立及材料属性的设置

根据该土石坝设计资料，建立大坝截面和上游坝坡的二维模型。并根据工程勘察资料中的描述，通过查阅《工程地质手册》获取各类材料的密度、弹性模量、泊松比、渗流系数等数据，得到的各类材料基本参数见表1所示。结合材料基本参数，建立某土石坝的有限元模型。考虑坝体在稳定渗流期内主要受重力荷载及水压力作用，为了模拟稳定渗流，将模型的位移边界条件设置为全约束。该模型采用网格单元类型为CPE4P单元，划分为1 542个单元，共1 635个结点。

表1 各类材料基本参数

3 某土石坝的坝坡稳定性分析

土石坝的稳定分析采用强度折减法，在ABAQUS中通过设置材料的摩尔-库伦塑性特征，可以实现材料内摩擦角和粘聚力的强度折减[11-12]。查阅基本资料得知，上游坝坡材料类型主要为坝壳砂砾料，护坡和上游反滤层所占比例很小。在稳定分析的过程中，假设上游坝坡材料均为坝壳料，其材料属性见表2所示。

表2 坝壳砂砾料的基本参数

根据SL 274—2020《碾压土石坝设计规范》(以下简称《规范》)规定：在稳定渗流期，土石坝的稳定分析需要考虑正常运行条件和非常运行条件两种情况，对应的上游水位分别为设计洪水位和校核洪水位。在ABAQUS中分别计算以上两种工况上下游坝坡的安全系数和危险滑裂面的位置，并与《规范》中规定的最小安全系数对比，查看其稳定性是否满足要求。

从后处理界面中绘制强度折减系数和X方向的位移变化关系图，曲线的拐点处对应的强度折减系数即为坝坡的安全系数。经对数据进行处理，得到设计洪水位和校核洪水位工况下对应的安全系数见表3所示。

表3 不同工况下的安全系数

经比较，某土石坝在两种工况下坝坡的安全系数均大于《规范》规定的最小安全系数，满足抗滑稳定要求，且有较大的安全裕量。土石坝上下游的危险滑裂面位置如图2所示。

从图2可以观察到某土石坝上下游的危险滑裂面均呈圆弧状，与极限平衡法假定的圆弧滑裂面形状类似。各工况下的安全系数均大于《规范》规定的最小安全系数，可认为坝坡的稳定性满足要求。

a 上游坝坡的危险滑裂面位置

4 敏感性分析

为了分析不同的防渗设施对坝坡稳定的影响水平，本节对某土石坝进行防渗稳定的敏感性分析，探究单独改变某一防渗设施后，上下游坝坡稳定性的变化。

该土石坝设置多种防渗排水设施，以确保渗流安全，包括混凝土防渗墙、粘土心墙、水平排水带、反滤层和过渡层等。分析时，重点考虑混凝土防渗墙、粘土心墙防渗体和水平排水带三者各自对渗流的影响。

4.1 移除混凝土防渗墙对坝坡稳定的影响

混凝土防渗墙主要用来截断地基中的渗流，延长渗径以降低渗流比降，防止发生渗透破坏，减少管涌和流土的发生几率。周清勇等[4]已经研究了混凝土防渗墙的初始裂缝、渗透系数和悬挂深度各自对坝内渗流的影响。本节将探讨移除混凝土防渗墙前后，土石坝稳定性的变化情况，在ABAQUS中，将混凝土防渗墙部分的材料性质改为地基材料，实现混凝土防渗墙的移除。防渗墙移除前后的渗流速度矢量示意如图3～图4所示。

图3 移除混凝土防渗墙前的渗流速度矢量示意

图4 移除混凝土防渗墙后的渗流速度矢量示意

由图3、图4可知，混凝土防渗墙对于地基渗流影响较为明显，移除混凝土防渗墙之后，在原本防渗墙的位置处出现渗流，且渗流的速度有较大的增加。使用强度折减法进行稳定分析，得到设计洪水位和校核洪水位下的坝坡安全系数见表4所示。

表4 不同工况下的安全系数

移除了混凝土防渗墙后，两种工况下的安全系数均有所减小，但仍大于《规范》规定的最小安全系数，抗滑稳定性满足要求。但是土石坝的安全裕量较小，遇到如地震、库水位骤降等特殊情况有可能发生滑动。可得出结论：混凝土防渗墙能够截断坝基渗流，移除之后对坝体的抗滑稳定性有不利的影响。在实际工程中，混凝土防渗墙由于防渗效果好，施工方法简单、成本低廉，已广泛地应用在土石坝的建设中。本工程中为防止下层地基低液限粘土层不均匀，避免夹杂透水性强的土层导致渗漏量大及影响坝体稳定，设置混凝土防渗墙对大坝安全是有利的。

4.2 移除粘土心墙防渗体对坝坡稳定的影响

土石坝的防渗设计一直遵循着“上堵下排”的原则，即土石坝的上游防渗体和下游排水体联合作用，减小渗流的危害。防渗体作为土石坝设计中重要的一部分，在渗流控制中起着不可替代的作用。本节将探究移除防渗体后对坝坡稳定性的影响，把心墙的材料性质改变为同周围坝壳材料，可以实现心墙的移除，两种工况下的坝坡安全系数见表5所示。

表5 不同工况下的安全系数

对比《规范》中规定的各工况下的最小安全系数，当上游水位为校核洪水位时，移除了防渗体之后的上游坝坡不满足抗滑稳定的要求，其安全系数小于规定的最小值1.30。以校核洪水位为例，其坝内的浸润线如图5所示。

观察图5可以发现，移除防渗体之后，原心墙位置处的浸润线位置较高。在坝体下游部分，渗流进入下游坝壳区域，并在水平排水带的作用下缓慢下降，渗流逸出点的高程约为82.5 m，高出坝基面2.5 m。此时，坝内饱和土体的含量过高，不利于坝体的稳定。

图5 移除粘土心墙防渗体后的坝体浸润线示意

结合稳定和渗流分析的内容，可以看出防渗体在降低坝体浸润线、保持坝体稳定方面发挥较大的作用。一旦移除防渗体，坝体内部饱和土体的含量增大，对土石坝的稳定有不利影响。在实际工程中，防渗体是土石坝不可或缺的构造，在设计防渗体时，需重视其土料的渗透性和压实程度，施工质量的好坏在一定程度上决定工程效益是否能够有效发挥。

4.3 移除水平排水带对坝坡稳定的影响

排水体是土石坝防渗系统中的重要组成部分，排水体能够及时地将坝内渗水引导至下游，降低渗流逸出点的高程，加速孔隙水压力的消散以提高坝体的稳定性[2]。某土石坝采用的是坝体内部水平排水带和下游贴坡排水联合的形式，能够有效地将坝内渗水排往下游。本节将移除水平排水带，将联合排水改变为贴坡排水，修改ABAQUS内的关键词，删除对应边界的*SFLOW命令即可实现。移除了水平排水带后，两种工况下的坝坡安全系数见表6所示。

表6 不同工况下的安全系数

将表6中的各项安全系数与《规范》对比，可以看出移除了水平排水带后，下游坝坡的安全系数在两种工况下均不满足《规范》的要求，通过ABAQUS软件分析坝内渗流的变化，校核洪水位下的坝内浸润线如图6所示。

观察图6可以看到移除水平排水带后对下游坝体的渗流影响较为明显。下半部分的坝内浸润线下降缓慢，下游渗流逸出点的高程约为85 m，高出下游坝基面约5 m。下游坝坡的大部分区域处在浸润线以下，材料的抗剪强度指标会有所下降，不利于下游坝坡的抗滑稳定性。

图6 移除水平排水带后的坝体浸润线示意

移除了水平排水带之后，坝体下游部分的渗水不能及时地排出，大部分土体长期处于饱和状态，渗流逸出点的高程也较高，减轻了抵抗滑动的有效重量，对土石坝的稳定有着不利影响，下游坝坡的安全系数大幅下降，均小于《规范》所要求的最小值。

4.4 不同防渗设施对坝坡稳定影响水平的比较

对比表4、表5和表6中各工况下的安全系数的变化，可以看出水平排水带对于坝坡稳定性的影响最为明显，移除之后，安全系数减小的幅度较大，且不满足抗滑稳定的要求；粘土心墙的影响次之，最后是混凝土防渗墙。

其中混凝土防渗墙的主要作用是截断地基渗流，移除后地基渗流随之增大，从而不利于坝体的抗滑稳定；粘土心墙主要用来降低坝体浸润线，移除之后坝体的浸润线下降缓慢，坝体内部的饱和区域随之增加，降低了坝坡的抗滑稳定性；水平排水带能够及时地排出坝内渗水，降低渗流逸出点的高程，移除之后对于下游坝坡的稳定性产生较大的影响，下游坝体的浸润线较高，土体长期处于饱和状态，对坝坡的稳定性不利。

移除任一防渗排水设施，都对土石坝的抗滑稳定性有较大的影响。在实际工程中，往往多类防渗排水设施联合工作，从而有效控制渗流，提高坝体的稳定性。在设计时要充分考虑不同防渗排水设施对坝体稳定性的影响，采用合理的防渗排水设计，通过各设施的优化组合，确保土石坝的安全。