掺砾比例对土心墙土石坝坝体稳定性的影响

　　摘    要：　本文通过改变掺砾土心墙的掺砾量大小, 进而研究其对掺砾土心墙堆石坝渗流及稳定的影响。研究结果表明:随着掺砾土心墙的掺砾量发生改变, 坝体总水头分布会出现突变现象, 其发生的部位均为坝体上部过渡层与掺砾土心墙处;其中越靠近坝体上部, 变化趋势越明显;随着掺砾量的增加, 其掺砾土心墙处渗透系数也逐渐增加, 导致其突变的现象也更加明显;掺砾土心墙材料发生改变将导致坝体内水头分布出现变化, 进而改变其坝体内部的孔隙水压力, 以致于影响坝体的安全稳定性系数, 并得出坝体安全系数随着掺砾土心墙掺砾量的增加而逐渐增加。

　　关键词：　掺砾量; 堆石坝; 总水头; 稳定性;

　　Abstract：　In this paper, by changing the amount of gravel mixed with gravelly soil core wall, the stability of the rockfill dam with gravel core is studied.The results of the study indicate that with the change of the gravel volume of the gravel-concrete core wall, the distribution of the total water head of the dam will abruptly change.The site of the occurrence is the upper transition layer of the dam body and the core wall of the gravel soil.In the upper part of the dam, the change tendency is more obvious;when the amount of gravel mixed increases, the permeability coefficient at the core wall of the contaminated soil also increases gradually, resulting in a more obvious phenomenon in the abrupt part of the dam;The distribution of water head in the dam changes, and then the pore water pressure inside the dam changes, resulting in a change in the safety factor of the dam.The results show that the safety factor of the dam gradually increases with the increase of the amount of gravel mixed with gravel soil.

　　Keyword：　mixed gravel volume; rockfill dam; total head; stability;

　　1 引言

　　土石坝是目前我国应用最广泛的坝型, 其中在我国的拦河大坝工程建设中所占的比例高达95%, 甚至更多[1,2]。而土石坝又分为几种不同的坝体, 其中最为常见的有心墙坝、面板堆石坝或者是均质坝。随着我国工程建设以及科研的不断深入, 在对土石坝坝体的认知方面也不断的清晰起来, 也让其成为了目前学术界与工程界的重要关注对象。

　　研究发现, 砾石作为碾压材料[3,4,5], 可以满足高密度、高强度以及低压缩性的特性, 为土石坝的防渗材料提供了一种选择。事实上这种材料也被工程与学术界广泛认可。由工程统计显示, 在高土石坝坝体中, 超过2/3的土石坝心墙防渗材料均采用碾压砾石材料, 但碾压砾石土材料也有一定的缺陷[6], 主要是由于碾压砾石土材料颗粒级配范围广导致产生一定的不均匀性以及不连续性, 而且土石坝的稳定性更多的是考虑其渗透特性, 所以对砾石土料的渗透特性更应深入研究, 部分学者[7]针对多种石料填筑而成的堆石坝进行研究, 分析其流变变形, 进而反馈出各自相互对应的的流变参数, 为后续的研究提供一定的参考。也有部分学者[8]通过对粘土心墙坝进行实际工程的监测, 将得到的观测资料进一步进行分析, 进而得到相应的坝体渗流或者是坝体的变形规律, 探究其稳定性问题, 最后与实际的理论相论证, 进一步推进学术的发展。

　　因此本文以掺砾土心墙土石坝为研究对象, 通过改变砾石掺量, 研究掺砾土心墙土石坝坝体的稳定性与掺砾量之间的关系, 为类似掺砾土石坝工程建设提供参考。

　　2 模型建立

　　2.1 工程概况

　　选取某掺砾土心墙堆石坝工程, 其具体工程概况为:掺砾土心墙坝轴线的走向是N24°E, 其中该心墙坝的坝顶高程在856.00m处, 坝顶长度为14m, 宽度为5m。该掺砾土心墙坝的最低建基面为670.00m, 其中该坝体的最大坝高为186.00m, 并且该掺砾土心墙坝的上游坝面高程795.00m处采用宽度为20.00m的马道, 连接马道上、下侧分别以坡比为1∶2.5设置坝坡, 下游坝体的坝坡均采用1∶2.5的坡比, 结合坝体与基岩的地质状况, 在下游段较小区域内采取较缓的坝坡连接基岩;大坝的设计洪水位为848.31m, 校核洪水位为853.78m, 正常蓄水位为838.00m。为了本次有限元计算, 采用最大坝高处坝体填筑分区简化图如图1所示。由于本次只考虑不同掺砾量的心墙坝渗流及稳定性影响, 忽略基岩的各种因素对坝体的影响。

　　图1 最大坝高处坝体填筑分区剖面

　　坝体断面的主要分区采用简单的四个分区, 其中包括位于坝中的掺砾土心墙, 在掺砾土心墙上、下游的过渡层以及过渡层以外的堆石料区。本次计算工况采用上游为设计洪水位, 下游无水位。

　　2.2 网格划分及边界条件

　　本次模型建立采用大型有限元岩土软件MI-DAS GTS-NX完成, 对于模型的网格划分如图2所示。模型的边界条件主要分为两个部分, 一部分是对模型的位移进行约束, 即对模型的底部约束水平和竖向位移, 而对模型的两侧只进行水平向的约束;另一部分为大坝模型的边界水头设置, 在大坝上游设置相应的水头, 而大坝下游设置相应的渗流面以及水头。

　　图2 有限元网格划分

　　本次计算中, 主要针对的是砾石土心墙对大坝渗流的影响, 所以在砾石土心墙的材料参数发生改变时, 其结构不发生变化, 即模型保持不变。

　　2.3 材料选取

　　坝体参数主要包含三个部分, 堆石料、过渡层以及砾石土心墙。根据该工程中堆石料以及过渡层参数, 选取本次计算模型中的主要参数如表1。

　　在本次计算过程, 主要针对的是砾石土心墙中掺砾量对大坝渗流稳定的影响, 所以根据相关研究成果[9,10,11]对掺砾土心墙的材料参数的选取, 主要考虑其渗透系数。表2为坝体掺砾填料 (砾石土心墙) 的土体参数, 计算过程中所有材料参数均采用摩尔库伦准则。

　　表1坝体材料的参数表

　　3 计算结果

　　3.1 渗流稳定

　　图3为掺砾土 (掺砾量为11%) 心墙坝在蓄水达到正常水位下的总水头分布云图, 根据图3可知, 大坝的总水头分布满足实际工程现状, 而在掺砾土心墙处, 大坝的总水头出现两次突变, 在上游侧, 大坝过渡层材料与掺砾心墙接触处, 由于材料的渗透系数差异较大, 总水头急剧下降, 总水头越接近坝顶, 其下降趋势越明显, 且总水头在掺砾心墙材料中保持直线降低的趋势;在下游侧掺砾心墙与过渡层接触处, 依旧由于渗透系数发生一定的变化, 同样出现总水头突变现象, 且总水头依旧保持着降低趋势, 但减低趋势逐渐变缓, 最后在下游侧的堆石料中, 总水头基本保持不变。

　　图4为掺砾土 (掺砾量为28%) 心墙坝在蓄水达到正常水位下的总水头分布云图, 根据图4可知, 总水头分布基本保持和掺砾量为11%的心墙坝总水头分布云图相同, 并且在掺砾心墙与过渡层接触处的总水头变化趋势相同, 突变过程中, 由于掺砾量的增加, 其总水头下降趋势较掺砾量为11%的掺砾心墙坝更加明显。

　　图3 蓄水后掺砾量为11%的总水头分布云图

　　图4 蓄水后掺砾量为28%的总水头分布云图

　　图5 蓄水后掺砾量为37%的总水头分布云图

　　图5为掺砾土 (掺砾量为37%) 心墙坝在蓄水达到正常水位下的总水头分布云图, 根据图5可知, 总水头分布云图较前两种掺砾量掺砾土心墙坝的总水头分布云图不同, 虽然在堆石料、过渡层以及掺砾土心墙处出现突变, 但其总体的分布规律发生变化, 虽然在掺砾土心墙材料和过渡层材料内的总水头也出现下降趋势, 但是总水头在掺砾土心墙材料内的下降趋势较过渡层更缓;随着坝体向下, 越接近坝底其总水头的变化趋势越小。

　　图6 蓄水后掺砾量为45%的总水头分布云图

　　图6为掺砾土 (掺砾量为45%) 心墙坝在蓄水达到正常水位下的总水头分布云图, 根据图6可知, 总水头分布云图与掺砾量为37%的掺砾土心墙坝总水头分布云图相同, 在堆石料、过渡层以及掺砾土心墙处出现突变, 并且其总体的分布规律保持相同, 在掺砾土心墙材料和过渡层材料内的总水头也出现下降趋势, 但是总水头在掺砾土心墙材料内的下降趋势较过渡层更缓;随着坝体向下, 越接近坝底其总水头的变化趋势越小。

　　3.2 稳定系数

　　坝体抗滑稳定性计算通过条分法计算, 具体计算公式如下:

　　式中:F为坝体抗滑稳定安全系数;li为第i块在滑弧上的长度;φi、ci分别表示第i块的土体材料内摩擦角和粘聚力大小;σni表示为第i块滑块在圆弧滑面上的法向应力;τi表示为第i块滑块在圆弧滑面上的切向应力。

　　对本次计算掺砾土心墙坝坝体在蓄水后 (正常水位下) 保持孔隙水压稳定, 再对其进行安全稳定性计算, 计算过程中考虑孔隙水压力、水压力以及自重等, 计算结果如表3。

　　表3 不同掺砾填料 (砾石土心墙) 坝体的稳定系数

　　表3为不同掺砾填料 (砾石土心墙) 坝体的稳定系数, 由于其心墙材料的不同导致坝体内水头分布出现变化, 进而改变其坝体内部的孔隙水压力, 以致于坝体的安全系数发生改变。由表3可知, 在掺砾量为45%以内时, 坝体安全系数随着掺砾土心墙掺砾量的增加而逐渐增加, 但其增加幅度较小。

　　4 结论

　　1) 由总水头分布云图可知, 随着掺砾土心墙的掺砾量发生改变, 其总水头分布会出现突变现象, 其部位为坝体上部的过渡层与掺砾土心墙处, 越靠近坝体上部, 其变化趋势越明显;随着心墙材料掺砾量的增加, 其渗透系数也逐渐增加, 导致突变现象也更加明显。

　　2) 由于掺砾心墙材料的不同导致坝体内水头分布出现不同, 进而改变其坝体内部的孔隙水压力, 以致于坝体的安全系数发生改变;在一定范围内改变掺砾土心墙材料的掺砾量时, 坝体安全系数随着掺砾量的增加而逐渐增加, 但其增幅较小。

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