基于有限元方法的水利工程坝体稳定性监测研究

雷海林,张万栋,张汉康

(1.温州市水利电力勘测设计院有限公司,浙江 温州 325000;2.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300000)

0 引 言

在水利工程中,土石坝因其对复杂地形和地质条件的适应性以及较好的经济效益而得到广泛应用,也是目前坝工建设中被普遍采纳的大坝类型[1]。随着建造工艺的不断改进,心墙土石坝的建造方法日趋成熟,国内外已修建了大量的心墙土石坝[2]。由于修建时间较早以及施工质量不合格、施工规程不健全、未按规定进行维修等原因,大部分土石坝存在坝坡失稳、渗漏量大等不同程度的安全问题。因此,应对大坝建设后的安全隐患进行及时监测,并采取相应的措施加以治理,以保证大坝的安全运行。

针对大坝的稳定性,应从边坡稳定、渗透稳定等方面进行全面的分析和评价。特别是大坝防渗稳定问题,对判定大坝是否安全,是否出现大量渗漏,以及渗漏物中是否含有土料等具有重要意义。大坝边坡稳定性破坏的基本特点是:不论其内部变形机制为广义剪切或塑性,均会导致边坡发生位移,而位移是坝坡内在作用的外部体现。

一般情况下,是在大坝的下游设置一套检漏设备来对其进行监测。近年来,随着计算机技术的发展,已经建立了基于弹塑性理论和有限元分析的多学科分析方法,并研制出大型计算程序,如Abaqus、 Ansys等[3-4]。目前的研究对心墙土石坝的应力变形等分析已较为完善,但仍缺乏对黏土心墙的渗漏安全、稳定性等有效监测[5-6]。为此,本文以林溪水库挡水坝作为研究对象,采用有限元方法,对其力学性能等进行模拟监测。同时,采用强度折减法,分析坝体的稳定性。研究旨在通过对水利工程坝体的力学性能、稳定性等的监测过程,获得大坝工程安全性问题的科学有效解决方法,为黏土心墙土石坝的安全施工建设及运行管理提供理论依据。

1 基于有限元方法的水利工程坝体稳定性监测方法

1.1 工程概况

林溪水库位于瑞安市林川镇水干岸村,坝址距林溪河口6km。水库集雨面积52.5km2,河源长度8.78km,河床坡降3.15%,水库总库容1 945×104m3。枢纽工程包括主坝、副坝、溢洪道、水电站等,其中主坝为黏土心墙坝,外部为砂砾坝壳,最大坝高41.50m,坝顶高程85.60～85.95m,坝顶宽3.0m,长243m,坝底宽216.50m。上游坝坡自上而下坡比分别为1:2.50、1:3.24、1:3.25,在73.63m处设有宽2.5m的马道。下游坝坡自上而下坡比分别为1:2.14、1:2.30、1:2.51,在73.99、59.14、47.46m处分别设有宽1.5、4.0、6.2m的马道,在53.35m高程处设有堆石排水棱体。

大坝副坝为黏土心墙土石坝,外部为砂砾坝壳,最大坝高34.42m,坝顶高程85.45～85.64m,坝顶宽3.2m,长度75m,坝底宽45m。上游坝坡自上而下坡比分别为1:2.30、1:2.54,在73.93m处设有宽1.5m的马道。下游坝坡自上而下坡比分别为1:1.90、1:1.65,在74.11m处设有宽2.3m的马道。

输水隧洞位于副坝左坝肩下,洞长165m,洞身直径1.9m,钢筋砼衬砌,进口底高程58.28m,出口底高程32.41m。溢洪道位于副坝左岸,设计时溢洪道为实用堰,堰顶高程78.28m,堰顶净宽40m。现状溢洪道形式为宽顶堰,被小山头隔开,分为两段:左段堰宽21.95m,堰顶高程71.29m;右段堰宽16m,堰顶高程71.36m。电站包括3台机组,2台630kW、1台400kW,总装机1 660kW。

除险加固一期工程实施后,水库正常水位71.29m,正常库容689×104m3,设计洪水位(P=1%)77.46m,校核洪水位(P=0. 05%)79.27m,水库总库容1 432×104m3。最终规模为:水库正常水位78.28m,正常库容1 325×104m3,汛限水位76.28m,防洪高水位81.11m,设计洪水位(P=1%)82.77m,校核洪水位(P=0. 05%)84.96m,水库总库容2 128×104m3。

林溪水库主、副坝表面变形观测(垂直、水平位移)每季度一次,观测年度共4次,大坝自动化安全监测系统检查维护每年度两次。

1.2 水利工程坝体安全监测设计

林溪水库大坝已设立如下安全监测项目:坝体表面变形监测(垂直、水平位移)、渗流监测、应力应变监测等[7]。变形观测主要为主坝、副坝的竖向位移及水平位移观测。大坝表面变形监测包括水平位移监测和垂直位移监测,水平位移采用视准线法观测,竖向位移采用水准测量观测。

主坝共设4排测线,分别是上游坝坡正常蓄水位以上、坝顶上游侧、下游坝坡一级马道、下游坝坡二级马道。下游坝坡二级马道测线设3个测点,其余每排测线设5个测点,分别布置在坝轴线桩号0+028.50、0+078.50、0+108.50、0+138.50和0+188.50,共计18个测点。在每排测线的延长线上两岸设工作基点和校核基点各1个,共计8个工作基点和8个校核基点。副坝共设4排测线,分别是上游坝坡正常蓄水位以上、坝顶上游侧、下游坝坡马道、下游坝坡。每排测线设2个测点,分别布置在坝轴线桩号0+028.00和0+054.50,共计8个测点。在每排测线的延长线上两岸设工作基点和校核基点各1个,共计8个工作基点和8个校核基点。工作基点和校核基点建在弱风化基岩上,每条测线基点与测点通视。另外,在主副坝下游1～2km范围内适当位置各布设2个水准基点,用以监测大坝表部的沉降和位移。

主坝防渗墙应变监测断面分别为主坝0+052.00m、主坝0+108.00m、主坝0+164.00m,共布设52支单向应变计。为了观测墙体混凝土因自身温湿度条件变化引起的自身体积变形,在应变计附近布置无应力计,共计11支。副坝防渗墙应变监测断面分别为副坝0+024.00m、副坝0+040.00m、副坝0+056.00m,共布设34支单向应变计、6支无应力计。主坝选取3个观测断面,用以观测主坝坝体与坝基渗流情况;副坝选取3个观测断面,以观测副坝坝体与坝基渗流情况,分别布置渗压计3、6和3支,共12支渗压计。在主坝坝脚设置1套量水堰,并安装堰上水位计,进行主坝坝后渗漏量观测。观测过程中,遵循观测仪器、观测路线、观测方法、观测环境、观测人员五固定原则。

土石坝的非稳态渗流计算可用于三维非均质且力学形状随方向变化的土体,并且该计算也符合Darcy渗流定律[8]。研究采用渗流计算原理的基本微分方程,对大坝的稳态与非稳态渗流进行求解。渗透计算分为3个不同的工况:工况1是在正常运行状态下进行,大坝上游水位对应高程71.29 m,下游不加水头;工况2为大坝上游施加死水位水头,高程59.28 m,下游不加水头;工况1与工况2均分析稳态渗流情况。工况3为上游水头由校核洪水位水头,高程78.98～83.58m时,进行非稳态渗流的计算分析。

堆石料的应力应变特性可用邓肯张E-B模型进行描述[9]。模型有关参数包括切线弹性模量Et、切线模量系数K、切线模量指数n、大气压力Pa等,此类参数均可通过三轴试验得到,因此选择合适的接触关系和接触单元是进行模拟接触面模型的基础。研究采用Goodman单元作为相邻接触面的介质,两种不同类型的无厚度接触面单元见图1。

图1 无厚度六面体与五面体接触单元

坝体建成后即进入蓄水阶段,在该阶段堆石料往往会产生浮力和浸水湿化效应,将导致堆石料的湿化变形。在土石坝有限元非线性模拟中,需要使用分级添加荷载的方法模拟该过程。在对土石坝进行数值模拟时,必须尽量与坝体的实际填筑情况相吻合,使计算结果更加准确。因此,在各层级上均要选择相应的分析步骤来进行计算。

1.3 基于有限元方法的黏土心墙土石坝坝坡稳定计算方法研究

边坡的稳定性及坝体加固处理通常需要基于坝体的稳定分析,目前常用的方法包括极限平衡法、极限分析法、数值方法等。其中,有限元强度折减法具有较强的适用性,常被用于边坡稳定分析。毕肖普曾提出强度储备安全系数,可用于分析圆弧滑动面[10]。强度折减法原理是在理想弹塑性有限元计算中,通过不断折减岩土体的抗剪强度参数c,φ,直至边坡达到临界破坏状态。此时,强度折减系数就是边坡的稳定安全系数Fs1。当土体达到极限平衡状态时,土体承受的剪应力计算表达式如下:

τ=ccr+σtanφcr

(1)

式中:τ为土体承受的剪应力;σ为正应力;ccr、φcr为临界平衡状态下的黏聚力和内摩擦角。

(2)

其中,Fs1会随着点的位置而改变,而且还会随着时间的推移而变化。当通过这一点时,滑动面的方向也发生了变化。应用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,边坡安全系数的合成系数依赖于失稳准则。通常以特征点位移的突发性、塑性区的连通性和数值计算的收敛性,作为边坡失稳的判断标准。在建立有限元模型后,根据Mohr-Coulomb(摩尔-库仑)强度屈服准则,选取位移收敛标准作为边坡的破坏依据。基于边坡安全系数定义,假设利用摩尔-库伦准则描述边坡土体。Zienkiewicz等在1975年提出强度折减系数,用其来解决与土工弹塑性有限元分析相关的问题。强度折减法示意图见图2[12]。

图2 强度折减法示意图

摩尔-库仑模型是基于材料破坏时应力状态的莫尔圆提出的,破坏线是图2中与这些莫尔圆相切的直线。在σ～τ坐标系中,土体恰好实现极限平衡,并发生剪切破坏。K是指在边坡处于临界破坏条件时,可以进行调整的数值。通过多次计算,即可得到临界条件。此时的抗剪强度指标为ccr、φcr、Kcr=1。则Fs的计算表达如下:

(3)

通过上述分析,强度折减法的实质即调整Fs。让A线条接近C线条,直至与摩尔圆相切,从而得到安全系数。

本次研究以林溪水库坝体为研究对象,通过有限元强度折减法分析其稳定性。然后根据坝体剖面,利用ADINA软件对其进行数值模拟。在进行稳定计算时,坝基的计算范围沿着坝踵向上游方向延展60m,再沿着坝趾向下游方向延展60m,深度方向再延展90m。

2 坝坡稳定计算监测结果分析

试验将大坝变形以向下游作为正,向左岸作为正,反之为负;竖向位移以向下为正,向上为负,本次水平位移及竖向位移方向规定以此为标准。研究主要针对林溪水库的表面变形、坝体渗流自动数据进行整理分析,对坝体变形、渗流等主要效应量在时间和空间上的分布规律进行分析。并对各观测值的特征值进行统计分析,判断变化规律和特征值是否正常,以此对大坝的稳定性进行评价。图3为林溪水库主坝与副坝的水平位移结果。

图3 林溪水库主坝与副坝的水平位移结果(2021年)

由图3可知,经2021年度4次平面观测后,主副坝相邻期观测值之间的差值极小,变化幅度在-4.01～+3.79mm之间,即向下游偏离最大不超过3.79mm,向上游偏离最大不超过4.01mm。大部分监测点位变幅均在2mm以内,且累积变化量均不超过4mm,大坝平面位移均处于稳定状态。由水平位移过程曲线图可知,主副坝水平位移偏离轴线的趋势整体较为统一,各监测点位均在第三期时存在明显的向上游、向下游的偏离趋势,其他几期偏离轴线趋势均不明显。

林溪水库主坝与副坝的沉降结果见图4。由图4可知,2021年度4次沉降观测中相邻期沉降观测值之间的差值均较小,变化幅度在-7.10～+4.10mm之间,即向下沉降最大不超过7.10mm,向上隆起最大不超过4.10mm,且2021年度的最大累积沉降量主坝不超过5.5mm,副坝不超过6.8mm,可判定主副坝沉降稳定。主坝沉降监测点沉降趋势基本一致,前三季度整体逐渐向上隆起,第四季度整体沉降。副坝各沉降监测点沉降趋势无整体规律,呈隆起、沉降交替状态。

图4 林溪水库主坝与副坝的沉降结果(2021年)

表1为坝体渗流和渗透坡降计算结果。由表1可知,采用水动力学方法,对上游水位71.29m处的渗流量进行数值计算,得到高水头条件下剖面单宽渗流量为0.95m2/d;采用有限元方法计算时,剖面单宽渗流量为0.86m2/d。在正常情况下,大坝的日渗漏量为每天77.76m3;在死水位条件下,大坝总的日渗漏量为46.65m3。在正常蓄水条件下,大坝泄水口的渗流坡降为1.502;在死水位条件下,大坝溢流点的渗透系数为0.896,远远低于大坝的容许渗透系数。

表1 林溪水库水坝坝体渗流和渗透坡降计算结果

采用有限元强度折减法,对坝体3种工况下坝坡稳定进行计算分析,结果见图5。由图5可知,在稳定渗流期下游坝坡稳定阶段,坝坡的抗滑稳定性安全系数为1.43。在水库水位降落期上游坝坡稳定阶段,坝坡的抗滑稳定性安全系数为1.29。在地震作用时下游坝坡稳定阶段,坝坡的抗滑稳定性安全系数为1.21。同时,计算得到的3种工况下的Fs并未超过标准值。

图5 3种工况下的坝坡稳定计算结果

3 结 论

本文通过对林溪水库大坝的监测和分析,采用有限元法,对大坝的力学性能和稳定性进行了数值仿真。结果显示,坝体的水平位移及沉陷符合常规土石坝的变形规律。在使用过程中,由仪表测量出的各种位移值变动幅度很小,各部位各点的变形也不显著。采用水力学方法,计算上游水位高程71.29m时的渗流量,有限元结果为69.1m3/d。在正常蓄水情况下,大坝渗漏点的渗流坡降为1.502。在死水位情况下,心墙逸出点平均渗透坡降仅有0.896,远小于坝体容许渗水系数,基本没有发生渗水破坏。在稳定渗流期、库水位降低阶段、地震作用阶段,其抗滑稳定安全系数分别为1.43、1.29和1.21。在3种工况下的Fs并未超过标准值,因此林溪水库坝体的抗滑稳定性达到了设计标准。