压实度对坝体填土力学特性影响的数值研究

2022-02-13李磊

水利科技与经济 2022年1期

李磊

(赫章县水投水务有限责任公司，贵州赫章 553200)

0 引言

我国坝体大部分为土石坝，土石坝填筑高度较高且填筑后变形大[1]。其中，压实度对坝体填筑质量影响较大，压实度是影响土石坝填筑质量的重要影响因素。因此，研究土石坝填筑安全的重点是探讨压实度对坝体力学性能的影响。

研究人员在土方填筑方面已取得一些成果。如王智超等[2-3]以某高填方多级挡土墙路堤为研究背景讨论了高填方的长期沉降及变形，并通过有限元强度折减计算得到边坡稳定性最小安全系数和最危险滑动面，结果满足边坡稳定性要求；吴初平[4]以某高速公路为研究背景，研究分析了泡沫轻质土在高填方方面的应用并取得了良好的工程效果；尹利华等[5]以蒙文砚高速公路为研究背景讨论了将云南红黏土充作大坝填料的可能性，并对云南红黏土进行一系列试验研究，总结出云南红黏土的压实度最低为0.9；王鹏等[6]以太原市太行路某工程为例，提出基于Logistic和双曲线结合的模型预测沉降度，结果表明模型预测值与实际工程的拟合度均高于单一Logistic模型或双曲线模型。陈虎[7]建立了累积夯实量的压实度计算方法，推导出普夯区强夯后路堤整体压实度，实测数据表明该方法有较强的实用性。基于上述研究，本文对某大坝进行建模分析，讨论大坝在自重条件、降雨条件、地震条件和降雨-地震耦合条件下，不同压实度下坝体的渗流和稳定性。

1 工程概况

研究区位于云南省曲靖市会泽县田坝乡，大坝所在地区西高东低，周边有河流，其占地面积5.53 hm2。大坝沿山而行，坝体表面不断被水流冲刷，大气降雨为坝区水的主要来源之一，丰水期时低陷处水聚集并迅速排至坡脚下。该地区属亚热带湿润季风气候。年降水量800～1 500 mm，每年6-10月份为丰水期，月平均降雨量为200 m。旱季和雨季更迭分明，对地下水的水文循环起着重要作用。大坝地理位置见图1。

图1 大坝卫星地理图

1.1 地质情况

大坝位于山间冲沟内，沟底分布第四系冲洪积层，岩性多为粉质黏土，呈硬塑性状态，第四系黏土平均厚度为7 m，呈黄褐色，呈棱角状，无震动反应；其下伏为玄武岩，呈灰黄色、玻璃状结构，裂隙较发育，孔深2～16 m时，岩心碎成沙，碎片易碎，为强风化层；当孔深为16～22 m时，岩心相对破碎，出现破碎、坚硬、风化层。场地地表无软弱土，场地两侧基岩裸露。研究区地下水主要由孔隙水和基岩裂隙水组成，场地地势陡峭，坡度大，有利于地下水的排水。孔隙水不易产生，只存在于丰水期。

1.2 地震概况

研究区地面加速度峰值为0.25 g，动力响应谱特征周期为0.45 s，为强震区，强地震会影响大坝整体稳定性。

2 坝体模型建立

选用大坝某典型截面，通过有限元软件Midas·GTS/NX对坝体建立二维模型并进行分析，流程分析图见图2。

图2 流程分析图

模型中有2 510个节点、2 438个单元。左右侧分别设置90和30 m顶水头边界，模型示意图见图3。

图3 二维模型图

根据土工试验数据和研究区地质调查报告，本研究所采用的参数见表1。

表1 坝体及地基土计算参数

3 坝体稳定性分析

3.1 坝体自重稳定性分析

首先进行大坝在自重下的稳定性分析，只有在自身重量下稳定时，才需要考虑降雨、地震等条件。因此，大坝自重下稳定性分析是大坝稳定性研究的第一步[8]。从孔隙水压力、相对位移变化和剪应变变化及安全系数4个方面考虑不同压实度大坝的稳定性建模分析[9]。大坝建模的初始稳态孔隙水压力和剪应变见图4、图5及表2。

图4 孔隙水压力变化图(自重条件)

图5 相对位移变化及剪应变变化图(自重条件)

表2 孔隙水压力、相对位移、剪应变及安全系数分布表(自重条件)

综合分析可知，在不同压实度下，坝体整体保持稳定，即Fst≥1.25；坝体部分处于非饱和状态，孔隙水渗流主要发生在坝体和粉质黏土中。孔隙水压力等值线呈平行状态，与调查情况一致；坝体的相对位移和最大剪应变随着压实度的增加而减小，安全系数与压实度呈正相关关系。

3.2 降雨条件稳定性分析

从降雨条件进行应力渗流耦合分析，对坝体抵抗降雨程度进行研究[10]。本研究采用两种降雨条件分析降雨对坝体稳定性的影响，见表3。

表3 降雨条件

该模型从3个角度分析大坝的稳定性，即相对位移、最大剪应变和安全系数。分析结果见图6-图7及表4-表5。

图6 相对位移图(降雨条件)

图7 最大剪应变图(降雨条件)

表5 安全系数表(降雨条件)

续表5

由图6和图7可以得出，在一致压实条件下，在暴雨条件下孔隙水压力变化较快，同时降雨强度高于大坝渗透系数，雨水沿坡面产生径向流，最后汇集于坡脚，坡脚应力增大，进一步导致大坝位移和应变增大；在相同降雨条件下，大坝渗透系数与压实度呈负相关关系，导致大坝内部水的入渗量减少，大坝的相对位移和剪应变减小；由表5可知，单位时间的降雨强度与压实程度一致。对大坝的稳定性影响较大，暴雨条件导致坝体短时间内迅速饱和，坝体自重增加，最终大坝稳定性下降速度比大雨条件快；当压实度为40%和50%时，出现不同程度的失稳，即Fst≤1.05。

3.3 地震条件稳定性分析

采用拟静力法讨论大坝在地震条件下的稳定性，从应变、位移、安全系数3个方面进行分析。分析结果见图8和表6。

图8 相对位移及剪应变图(地震条件)

表6 相对位移、剪应变及安全系数表(地震条件)

根据图8和表6可知，在地震工况下，压实度为50%～80%时大坝整体保持稳定，即Fst≥1.05；坝体稳定性、安全系数与压实度呈正相关，相对位移和最大剪应变与压实度呈负相关。

3.4 降雨-地震耦合条件稳定性分析

降雨、地震均对大坝的力学参数有重要影响。本研究考虑降雨与地震同时发生，建立雨震耦合条件，并据此进行建模分析，得出雨震耦合条件下大坝的孔隙水压力、应变、位移和安全系数。研究区所在地区地震烈度为Ⅷ度，地震动响应谱特征周期为0.45 s；降雨条件选定大雨条件。雨震耦合条件下大坝应变、位移和安全系数分布见图9和表7。

图9 相对位移及剪应变图(降雨-地震耦合条件)

表7 相对位移、剪应变及安全系数表(降雨-地震耦合条件)

由图9和表7可知，大坝在雨震耦合条件下，坝体相对位移、最大剪应变、相对位移与压实度呈负相关；坝体整体安全系数与压实度呈正相关。但在此条件下，当坝体压实度为40%和50%时，安全系数难以保证高于1.05，即坝体整体稳定性难以保证。

4 不同条件稳定性分析

在大坝稳定性分析中，将5种分析工况全部考虑在内，比较5种条件下的相对位移、剪应变和安全系数变化趋势。见表8-表10。

表8 相对位移分布表

表9 剪应变分布表

表10 安全系数分布表

由表8-表10可知：

1) 在雨震耦合条件下，大坝相对位移及最大剪应变较其他4种条件最大，孔隙水压力下降速度最快；在压实度相同的情况下，相对位移及最大剪应变按雨震耦合条件、地震条件、暴雨条件、大雨条件、自重条件依次降低；随着压实度的增加，5种条件下大坝稳定性与压实度呈正相关关系。

2) 在自重和地震条件下，大坝的安全系数与压实度呈正相关关系；自重条件下，大坝可保持整体稳定性；在地震条件下，压实度为40%时，坝体部分失稳；大雨条件、暴雨条件和雨震耦合条件下，大坝的安全系数与压实度正相关，且压实度大于55%时，大坝能满足稳定性要求，即压实度为40% 和 50%时，大坝部分失稳；安全系数按自重条件、大雨条件、暴雨条件、地震条件、雨震耦合条件依次降低。