动水荷载作用下粉土围坝力学响应研究

张宏博，于一凡，宋修广

（1.山东大学 土建与水利学院，济南 250061；2.山东省路基安全工程技术研究中心，济南 250061）

水文水资源

动水荷载作用下粉土围坝力学响应研究

张宏博1，2，于一凡1，2，宋修广1，2

（1.山东大学 土建与水利学院，济南 250061；2.山东省路基安全工程技术研究中心，济南 250061）

为揭示动水荷载作用下粉土围坝力学参数的变化规律，通过室内试验和数值模拟，分别研究了干湿循环及风浪影响下粉土围坝的力学响应。结果表明：原状粉土在经历2次以上干湿循环后，抗剪强度显著降低，且随干湿循环次数的增加，降低幅度逐渐减小；在周期性波浪荷载作用下，粉土围坝迎水坡产生震荡超孔隙水压力，且随时间动态累积，有效应力降低严重；孔隙水压力增大到一定值后将趋于稳定，孔压稳定时间随波浪周期的增大而增大。该结论的得出为天然粉土坝坡的短期和长期稳定性评价、揭示粉土围坝滑坡机理以及建立坝坡坍塌预测模型奠定了理论基础。

粉土围坝；干湿循环；波浪荷载；抗剪强度；孔隙水压力；有效应力

水库在运营期间大坝处于开放的自然环境中，长期受到降雨入渗、波浪荷载冲击、库水位涨落等恶劣环境条件的影响，使筑坝材料物理力学性质随运营时间的增加而衰减。

黄泛平原区水库大多为就地取土的围坝型水库，筑坝材料为土性不良的粉性土，由于该类土具有弱可塑性、低黏结性、高分散性等性质，且具有极强的水敏感性特征，在库水位涨落、降雨渗透、波浪等动水荷载作用下，坝体强度极易降低，严重影响粉土围坝的安全运营，因此有必要对粉土的干湿循环特性及波浪荷载作用下的动力响应进行研究。目前，国内外主要研究成果多是针对膨胀土［1-2］、黏性土的干湿循环强度衰减规律及粉土海床［3-5］的波浪荷载动力响应问题，而对粉土围坝的水—土耦合作用规律研究较少，本文将对动水荷载（干湿循环、波浪荷载）作用下粉土围坝的力学响应进行研究，以期为粉土围坝坝体坍塌预测防护和治理提供理论依据。

1 粉土干湿循环试验

在雨水入渗蒸发或库水位涨落等因素影响下，围坝长期处于“湿润—风干”的循环状态，干湿循环效应对土体的强度有较大影响。为研究粉土强度参数随干湿循环次数的变化规律，设计了无荷条件下的干湿循环试验（实际情况下，除表层土体外，均承受竖向荷载）。

1.1 干湿循环试验方案

试验所用粉土取自坡面以下1.0m深处，取好的土样用保鲜膜密封好后放入保湿箱内保存，整个取土、保存过程中尽量避免对土样的扰动。

首先采用烘干法测定了原状粉土的天然含水率为20.56%，然后制取原状粉土12个环刀直剪试件（h=20mm，φ=61.8mm），将试件分为6组，每组2个试件，其中第1组做原状土的直剪试验，其余5组分别进行1次，2次，3次，4次，5次干湿循环，然后按照试验规程做经不同干湿循环次数的直剪试验，测定试件的抗剪强度，然后根据剪切定律确定粉土的抗剪强度指标φ和c，每组取两个试件的平均值。试件放在阳光下进行干燥（在夏季进行），待试样质量接近土颗粒质量 （根据含水率确定）时用滴管滴水使试件逐渐湿润，尽量保证滴入的水分能均匀的渗透到试件中及湿润后的试件与原状土的含水率相同或相近，因每个试件的原质量基本相同，湿润后只需保证试件的总质量与原状土试件的总质量相等即可。

1.2 试验结果

按照上述试验方案对原状粉土经不同干湿循环次数后的抗剪强度指标进行室内试验，其结果如表1。

表1 抗剪强度指标

从表1可以看出原状粉土的抗剪强度随着干湿循环次数的增加而逐渐衰减：①黏聚力在第1次干湿循环之后相对0次循环下降了13.96%，内摩擦角下降了9.89%；②黏聚力在第2次干湿循环之后相对1次循环下降了12.64%，内摩擦角下降了8.86%；③黏聚力在第5次干湿循环之后相对4次循环下降了1.36%，内摩擦角下降了1.52%。

可以看出黏聚力和内摩擦角在1次、2次干湿循环后下降的幅度较大，之后随着干湿循环次数的增加变化幅度趋于平缓。经历5次干湿循环后，黏聚力衰减了32.06%，内摩擦角衰减了26.24%。总之，原状粉土在经历不少于2次干湿循环后，土颗粒排列顺序发生变化，改变了土体内部的应力状态，致使其内部结构遭到疲劳损伤破坏，抗剪强度发生较大衰减，对于粉土结构物，其安全系数将显著降低。

2 波浪荷载数值模拟

平原水库蓄水后，形成较宽广的水面，风区扩大也使吹程急剧增加，因此库区风场所造成的风浪波高也得到了较大提高，风浪对边坡稳定的影响已不可忽略。下面将用FLAC软件计算波浪作用下粉土围坝的动力响应，包括孔隙水压力响应、有效应力响应、总应力响应、土体液化及循环波浪作用下粉土围坝孔压稳定时间。

2.1 计算工况

根据平原水库现场实际情况，按照莆田试验站波浪要素计算公式［6］，并考虑波浪破碎时自由水面与坝坡接触位置处的波压力，选取3种计算工况如表2。

表2 计算工况

波浪在自由水面处产生的波压力将沿水深发生衰减，沿深度方向直线变化，波浪产生的波压力随时间和水平位置的变化规律为：

式中 p0为波压力幅值；x为相对于节点的水平坐标；L为波的长度；T为波周期；t为时间。

2.2 模型建立

2.2.1 模型尺寸

坝高15m，坝顶宽6m，坝坡1∶2.5，坝前水位10.5m，坝后水位2m，坝底基础宽106m，高20m，整个模型厚度方向取1m，3个方向的网格点距离均为1m，在坝前坡水面以下0.5，5.5，10.5m处布置了6个监测点，测点A、B、C位于泥面下1m，测点D、E、F位于泥面下2m，如图1。实时输出6个位置处的动力响应。

图1 模型示意图

2.2.2 边界条件

模型基础底面z方向固定，左右两侧x方向固定，沿纵向y方向位移为零；模型基础底面不透水。

2.2.3 粉土参数

重度20kN/m3，体积模量1.62e6，剪切模量5.4e5N/m2，孔隙率0.4，内摩擦角30°。

2.3 数值模拟

2.3.1 粉土围坝初始平衡状态

施加波浪荷载前，在坝前坝后分别施加静水压力，坝前坡脚处静水压力105kPa，坝后坡脚处静水压力20kPa，沿深度方向的变化率10kPa，使粉土围坝在静水条件下达到平衡状态。

粉土围坝的初始平衡如图2。静水条件下，同一纵断面内孔隙水压力随深度线性分布，饱和土在每个测点的孔隙水压力等于该位置处的静水压力。

从图2中可以看出，孔隙水压力由坝前向坝后递减，总应力与有效应力沿深度递增，基本沿坝中心线对称分布，剪应变增量最大值发生在坝顶两侧，说明此处受到的剪应力最大。

图2 粉土围坝的初始平衡状态云图

2.3.2 粉土围坝波浪响应

模型在静水压力作用下达到初始平衡状态，之后开始计算动力问题。打开动态模块和渗流模块，土体改用Finn模型，然后施加波浪荷载进行动力计算。波浪荷载属于周期动荷载，随时间变化。FLAC3D不能直接施加波浪荷载，本文使用FISH语言对模型施加波浪荷载。

下面以工况2为例分析粉土围坝的波浪响应。

图3 施加波浪荷载后粉土围坝应力云图

施加波浪荷载后，坝体内部应力云图发生明显改变，坝前孔隙水压力明显增大，坝前有效应力明显减小，甚至出现正值，而总应力基本不变，剪应变增量增大范围呈圆弧状，由坝顶延伸至坝底。

图4 监测点孔压与总应力时程变化（负值为总应力，正值为有效应力）

循环波浪荷载对围坝边坡的影响主要是通过改变土体内部的孔隙水压力来实现的，从图3、图4的孔隙水压力、有效应力、总应力变化图中可以看出，在波浪荷载对粉土围坝的循环波压力作用下，坝体坡面一定深度范围内的有效应力场和孔压场都随着时间和空间发生变化，坝坡不同深度位置处的孔隙水压力产生了周期性的震荡，并随时间产生动态累积，以致出现震荡超孔隙水压力，而波浪作用过程中总应力无累积现象，根据有效应力原理，土体中有效应力随时间逐渐降低，甚至导致边坡土体液化，从图2中可以看出，坝坡一定深度范围内的有效应力已大于0，土体已部分液化，丧失抵抗剪切的能力，甚至出现坝坡滑塌或溃坝的潜在危险。当孔隙水压力增大到一定值后将趋于稳定，在一定范围内波动。

从图4中可以看出，深度较深处总孔隙水压力值越大，且孔隙水压力增量越大，深度较浅处孔隙水压力震荡幅值较大。同一深度位置处，靠外的测点的孔隙水压力大于靠内的测点。

2.3.3 孔压稳定时间

波浪荷载作用下，坝坡不同位置处的孔隙水压力增大到一定值后将趋于稳定，为此计算上述3种工况下粉土围坝的动力响应，得出6个监测点的孔压稳定时间随波浪周期的变化规律如图5。

图5 各测点孔压稳定时间随波浪周期的变化

从图5可以看出，对于坝坡不同深度位置处，其孔压稳定时间均随波浪周期的增大而增大，越靠近水面处，由于波压力幅值较大，土体的孔隙水压力很快达到其峰值，有效应力迅速减小，故其孔压稳定时间越短。由于水平方向测点间距较小，其孔压稳定时间相差不大。不同周期波浪作用下，对于A、D测点，其孔压稳定时间为3T～4T（T为周期）；对于B、C、E、F测点，其孔压稳定时间为5T～7T。

3 结语

（1）原状粉土在经历不少于2次干湿循环后，其内部结构遭到疲劳损伤破坏，抗剪强度发生较大衰减，之后随着干湿循环次数的增加衰减幅度趋于平缓。

（2）波浪荷载作用下，粉土围坝坝坡不同深度位置的孔隙水压力产生周期性的震荡，并随时间产生动态累积，使土体中有效应力逐渐降低，导致边坡土体液化，土体抗剪强度大幅降低。

（3）波浪荷载作用下，坝坡孔隙水压力增大到一定值后将趋于稳定，此孔压稳定时间随波浪周期的增大而增大。

（4）该结论的得出为天然粉土坝坡的短期和长期稳定性评价、揭示粉土围坝滑坡机理及建立坝坡坍塌预测模型奠定了理论基础。

（5）实际情况下，粉土围坝的干湿循环效应是在有荷条件下发生的，因此，有荷条件下粉土的干湿循环试验有待进一步补充，以确定真实情况下粉土的抗剪强度指标随干湿循环次数的变化规律；对不同坡比、水深等工况下粉土围坝的波浪响应需做进一步的数值模拟和模型试验，以期为不同条件下粉土围坝坝体坍塌预测防护和治理提供依据。

［1］杨和平，张锐，郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律［J］.岩土工程学报，2006，28（11）:1936-1941

［2］吕海波，曾召田，等.膨胀土强度干湿循环试验研究［J］.岩土力学，2009，30（12）:3797-3802.

［3］张民生.波浪作用下黄河三角洲海床稳定性研究［D］.大连：中国海洋大学，2006.

［4］武伯弢.波浪荷载作用下砂质粉土海床的液化研究［D］.上海：同济大学，2009.

［5］吴梦喜，楼志刚.波浪作用下海床的稳定性与液化分析［J］.工程力学，2002，19（5）:97-102.

［6］颜宏亮，闫滨.水工建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

Mechanical response research of silt dam under hydrodynamic load

ZHANG Hong-bo1,2，YU Yi-fan1,2，SONG Xiu-guang1,2
（1.School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Subgrade Security Engineering Research Center of Shandong Province，Jinan 250061，China）

In order to reveal the change rule of mechanical parameters of silt dam under hydrodynamic load,mechanical response of silt dam under cyclic wetting-drying and stormy waves was studied respectively through laboratory test and numerical simulation.The results showed that shear strength of undisturbed silt decreased significantly after more than 2 times of cyclic wetting-drying,and the decreasing amplitude decreased gradually with the increase of cycle number.Excess pore water pressure of silt dam upstream slope oscillated under wave load and accumulated dynamically with time,which led to decrease of effective stress seriously.The pore water pressure would tend to be stable when it increased to a certain value.The pore pressure stabilization time increased as the wave period increased.This conclusion established the theoretical foundation for stability evaluation of natural silt dam slope in short term and long-term,revealing landslide mechanism of silt dam and prediction model establishment of dam slope collapse.

silt dam;cyclic wetting-drying;wave load;shear strength;pore water pressure;effective stress

P341

A

1672-9900（2015）02-0001-05

2015-03-06

山东省科技发展计划（2011GGH21607）；济南市科技发展计划（201218001）

张宏博（1978-），男（汉族），山东济宁人，副教授，主要从事岩土工程与道路工程的研究工作，（Tel）15552582796。