土石坝渗流特性的试验研究

土石坝渗流特性的试验研究

由于土坝坍塌的不规则特性，其渗透特性与均匀水库不同。然而，中国修建的大约90%的水库是土坝，尤其是在20世纪60年代和70年代。这些小水库在施工期间被密切监控，在随后的长期运行中维护不好，存在潜在的安全风险。如今,在国家大力关注水利事业的背景下,大批病险水库开始了除险加固工作,除险加固的主要依据是坝体的渗流与稳定计算。针对土石混合坝的特性,可采用Geo-Slope软件,进行seep/w与slope/w模块的耦合计算。1在非饱和土体的渗流计算目前,常用的坝坡稳定计算软件有河海大学开发的AutoBANK、陈祖煜院士开发的STAB、北京理正开发的岩土系列软件、加拿大Geo-Slope开发的仿真岩土软件GeoStudio。渗流计算软件AutoBANK和北京理正岩土渗流计算软件一样,都考虑到了土体的各向同性和各向异性,渗流系数的输入采取水平与竖直两个方向分别输入的方法。土体的渗流虽然存在各向异性,但是一般差异较小,对计算结果影响不大。但是将非饱和土体复杂的渗流曲线简化为一般饱和土体的稳定渗流状态对土石坝的渗流计算结果影响较大。原因是,在饱和土体的渗流计算中不同渗透性造成的基质吸力以及水头损失影响稳定计算时孔隙水压力的确定,使得坝坡稳定计算结果产生偏差。STAB主要用于土质边坡和土石坝边坡的稳定分析,在实际工程中有着广泛应用,但是该软件只进行边坡稳定分析,并不参与渗流计算,而且孔隙水压力等渗流信息必须由人工计算或相关软件计算后导入。GeoStudio软件涵盖内容广泛,包括渗流、渗流(三维)、稳定、固结等多个模块,每个模块又可以满足多理论多方法的计算,相关软件还可以在同一个平台上进行耦合。在渗透系数的输入方式上,考虑影响渗透系数的因素土粒粒径大小、孔隙比、土体动力黏滞系数等,以土壤粒径曲线和土水特征曲线为基础,建立预估土体渗流曲线,极大地提高了渗流计算的科学性和可靠性。2滑移geo2.1com法算法同大多数稳定计算软件一样,Geo-Slope采用最为通用的极限平衡法和有限单元法。经过许多学者的研究改进,极限平衡E-mail:kimt12345@163.com法计算方法已日趋完善。常用的极限平衡法有瑞典圆弧法、简化毕肖普法、简化简布法、斯宾塞法、摩根斯坦-普拉斯法、沙尔玛法等。和平衡条件相对较少且滑弧只为单一圆的瑞典圆弧法和简化毕肖普法相比,平衡条件多、滑裂面为任意形式的斯宾塞法和摩根斯坦-普拉斯法应用更为广泛。这些计算方法在Geo-Slope软件中都有体现,使用者可根据自己的需求选取相应的计算方法。2.2边板稳定计算方法在slope/w模块中有很多控制模式可以选择,在计算过程中,它会根据使用者对滑移面范围的定义自动搜索滑移面。(1)定义圆的定义在栅格与半径模式下,试算滑弧由定义圆心的栅格和定义半径大小的区域确定。圆心栅格位于斜坡之上,栅格中的每一个点都是定义圆的一个圆心。滑面半径是由一条切线或若干条切线组成的切线区域。通过对圆心及其切线的定义,可以在一定范围内设置或多或少的定义圆,然后通过逐个试算得到不同滑弧的稳定系数。最终计算得到的滑弧就是试算所有定义圆中与斜坡相交的稳定系数最小的一部分圆弧。(2)地方的确定在指定入口与半径模式下,试算滑弧由两段红色线段确定,也就是由滑弧可能开始的地方和滑弧可能结束的地方确定。通过指定两条线段的增量可以控制进口、出口的数量,首先软件自动连接进口区域上的一个点和出口区域上的一个点,并在这条线段的中点自动生成一条垂线,然后由进口线段上的点、出口线段上的点以及垂线上的点共同确定试算圆弧,最后通过逐个试算定义圆与斜坡相交的滑弧,确定最危险滑面。(3)滑弧的组成和部分在指定块体滑弧模式下,试算滑弧由两个指定的栅格块确定。每个滑弧都由3条线段组成,中间线段是左栅格和右栅格中任意两点的连线,其余两条线段按照指定的角度与斜坡相交。通过逐个试算滑弧,确定最危险滑面。(4)所有的滑动弧都被认为是完全任命的在完全指定滑弧模式下,滑弧由一系列数据点确定。该方法一般在完全掌握滑弧形状和位置的时候使用。(5)特殊模式见表1自动搜索模式是试图组合以上几种模式的一种特殊模式。在几何学基础上,确定滑弧的进口和出口,采用指定出口与入口模式得出大致结果后,进一步进行优化,从而获取最危险滑弧。2.3指定滑弧位置指定栅格与半径模式原理简单、便于理解。指定入口与出口模式与指定栅格与半径模式虽然在限制条件的输入形式上不一样,但其都是通过限制条件的位置与大小来确定定义圆,以控制计算滑弧的位置,因此可以说入口与出口模式是变化了的栅格与半径模式。指定块体滑弧模式可以通过简单操作定义相当多的试算滑弧。对于滑弧的位置与倾角已经基本明确的情况下,完全指定滑弧模式可以对现状进行分析计算,但是由于完全指定滑弧时,滑弧的位置与形状必须逐个指定,因此该方法不适用于通过大量指定滑弧来计算最危险滑面。自动搜索模式通过自动搜索可以自动在1000个试算滑弧中获取最危险滑弧,然后进行优化,优化后的滑弧不再是简单的单一圆弧,而是由直线与一个或多个圆弧组成的复合圆弧,滑弧的形状会更接近实际。3工程实例3.1大坝土石混合坝陕西蓝田赛峪水库是一座以灌溉为主,兼顾防洪、林业等综合利用的小(二)型水库。大坝为碾压式土石混合坝,大坝迎水坡坡比为1∶2.25,坡面干砌石护坡;背水坡为堆石体,坡比为1∶1.35,设宽为1.5m戗台2处。大坝运行以来,未作过稳定计算和抗震计算,没有实施位移监测和浸润线观测。3.2堆石体黏聚力大坝坝体坐落在基岩上,上游已有淤积。坝体为土石混合坝,迎水坡主要为粉质黏土,背水坡为堆石。两种材质在渗流方式、颗粒大小、抗剪强度等方面存在极大差异,因此在模型建立时要区别对待。背水坡大量堆石使用,使得坝内的总水头在材料接触面急剧下降,产生的浸润线与匀质土坝有较大差异。背水坡为堆石体,表现出明显的非黏性土特性,黏聚力为0。采用匀质土坝常用的稳定计算方法,如指定栅格和半径方法得到的边坡稳定计算结果见图1,可以看出,计算结果与斜坡平行,且非常接近斜坡的浅表滑弧,不能呈现出真实的工程现状。事实上,同样的情况也出现在理正岩土边坡稳定计算软件和STAB边坡稳定计算软件中。原因是,在slope/w的非饱和土稳定计算中,若没有定义高级参数φb(负孔隙水压力引起的抗剪强度增加值),则意味着不考虑基质吸力产生的负孔隙水压力,也就忽略了负孔隙水压力增加的土体抗剪强度。只要熟悉φb的相关设置并予以输入,slope/w完全可以解决这个问题。输入φb后的计算结果见图2,可以看出计算得到的滑弧与实际情况更为接近。自动搜索模式下计算得到的最危险滑弧见图3。可以看出,软件自动优化后,滑弧在不同土层中有了变化,不再是单一圆弧,