堰塞坝渗流稳定性及坝体动力响应研究_杨江涛.pdf
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1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0574-10杨江涛,石振明,郑鸿超,等 2023 堰塞坝渗流稳定性及坝体动力响应研究J 工程地质学报,31(2):574583 doi:1013544/jcnkijeg20210023Yang Jiangtao,Shi Zhenming,Zheng Hongchao,et al 2023 Seepage stability and dynamic response of landslide dam under earthquakeJ Journal ofEngineering
2、 Geology,31(2):574583 doi:1013544/jcnkijeg20210023堰塞坝渗流稳定性及坝体动力响应研究*杨江涛石振明郑鸿超王友权(同济大学地下建筑与工程系,上海 200092,中国)(同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092,中国)(上海岩土工程勘察设计研究院有限公司,上海 202150,中国)摘要堰塞坝是由崩塌、滑坡等堵塞河道而形成的天然坝体。区别于人工坝,堰塞坝具有坝体结构松散、材料分布不均的特点,其一旦形成,极易在短时间内发生失稳破坏(漫顶溢流、渗流破坏及坝坡失稳),威胁下游群众的生命财产安全。堰塞坝的失稳破坏主要受到上游水位、坝体渗流及
3、余震作用的影响,本文以唐家山堰塞坝为研究背景,基于通用有限元软件 ABAQUS建立堰塞坝渗流及动力响应分析模型,研究堰塞坝在渗流及余震作用下的稳定性,并进一步分析渗流及坝体余震对堰塞坝溃坝模式的影响。研究结果表明,(1)唐家山堰塞坝坝体发生渗透破坏的可能性较小,但随着上游水位的上升,堰塞坝发生渗流破化的概率增大;(2)堰塞坝内部动力响应特征表现为沿坝高从上到下,坝体的加速度放大倍数逐渐减小,动力响应呈现明显的“表面放大”效应;(3)余震作用下,堰塞坝不会发生整体失稳破坏,但余震使得堰塞坝坝高降低,从而加速其发生漫顶溢流破坏。关键词堰塞坝;渗流稳定性;动力响应;ABAQUS;唐家山堰塞坝;破坏模
4、式中图分类号:P694文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210023*收稿日期:20210119;修回日期:20210318基金项目:国家自然科学基金(资助号:41731283)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 41731283)第一作者简介:杨江涛(1995),男,博士生,主要从事工程地质与水文地质研究工作 E-mail:yangjiangtaotongjieducn通讯作者简介:郑鸿超(1991),男,博士后,主要从事地质灾害
5、和泥石流运移研究工作 E-mail:1410274tongjieducnSEEPAGE STABILITY AND DYNAMIC ESPONSE OF LANDSLIDE DAMUNDE EATHQUAKEYANG JiangtaoSHI ZhenmingZHENG HongchaoWANG Youquan(Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)(Ministry of Education Key Laboratory of Geotechnical and Undergr
6、ound Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)(Shanghai Geotechnical Investigation and Design Institute Co Ltd,Shanghai 202150,China)AbstractLandslide dams are formed by the blockage of river channel with soil and rock debris from rockfall,landslide and debris flow Differ from the man-mad
7、e dam,the materials of landslide dams have the characteristics ofloose structure and uneven distribution Hence,the landslide dams are prone to failure by overtopping,seepagedamage and dam slope instability after their formation,which threatens the life and property safety of downstreampeople Once th
8、e landslide dams are formed,their stability and failure mode are influence by the water in upstreamand the aftershock In this article,the Tangjiashan landslide dam induced by the Wenchuan earthquake is consid-ered The ABAQUS is used to establish the seepage and dynamic response analysis model The st
9、ability of landslidedam under the action of seepage and aftershocks are analyzed The influence of seepage and aftershock on the fail-ure mode of landslide dam are discussed The research results show that(1)the possibility of seepage failure of theTangjiashan landslide dam is relatively small But as
10、the upstream water level rises,the probability of seepage fail-ure of the landslide dam increases;(2)The dynamic response characteristics of the landslide dam shows that fromtop to bottom along the height of the dam,the acceleration magnification of the dam body gradually decreases,andthe dynamic re
11、sponse presents an obvious“surface amplification”effect;(3)The Tangjiashan landslide dam wouldnot fail under the action of aftershocks The aftershocks can reduce the height of the landslide dam significantly,thereby accelerating the occurrence of overflow damageKey wordsLandslide dam;Seepage stabili
12、ty;Dynamic response;ABAQUS;Tangjiashan landslide dam;Failuremode0引言堰塞坝是由地震、降雨等诱发崩塌、滑坡、泥石流等堵塞河道而形成的天然堰塞体(Peng et al,2012)。近年来,由于全球地质构造运动活跃、极端气候事件频发,使得全世界范围内堰塞坝事件发生更为频繁。我国是堰塞坝多发国家,统计表明,世界范围内现有堰塞坝案例 1737 处,其中位于我国的有791 个,占比 45.5%(Shen et al,2020)。特别是2008 年汶川地震,地震造成四川境内形成 257 个堰塞坝,其中位于北川县城上游的唐家山堰塞坝规模最大、潜
13、在危害最高(Cui et al,2009;刘邦晓等,2020;刘传正等,2020)。区别于人工坝,堰塞坝具有结构松散、材料分布不均的特点,使得堰塞坝在形成后短时间内极易发生溃决。此外,由于上游库水位的急剧增长,以及地震诱发型堰塞坝往往受到一系列余震的影响,堰塞坝在形成后的渗流稳定型及坝体动力响应对其坝体特征存在显著的影响,并进一步影响坝体溃决破坏模式。在堰塞坝渗流稳定性方面,学者们针对堰塞坝的渗流稳定性影响因素、渗流破坏过程以及渗流破坏模式等方面分别展开研究。Costa et al(1988)指出,坝体内部渗透流速影响堰塞坝坝体渗流稳定性。石振明等(2015),彭铭等(2020)指出高渗透区的
14、存在对于红石河堰塞坝渗流稳定性具有重要影响。Liao et al(2003)基于模型试验指出堰塞坝的渗流稳定性与坝体材料密切相关。严祖文等(2009)和张大伟等(2012)指出堰塞坝的渗流破坏为渐进破坏过程,主要表现为下游坡脚渗流破坏逐渐发展至堰塞坝整体溃坝的过程。何秉顺等(2009)以肖家桥堰塞坝为研究背景进行堰塞坝的渗流稳定性分析,并指出堰塞坝在渗流作用下主要表现为管涌破坏。胡卸文等(2010)基于 Visual Modflow 对唐家山堰塞坝的溃坝模式展开研究,并对坝体的渗流稳定性进行了相应的分析。在坝体动力响应方面,当前主要集中于土石坝的地震动力响应分析,而针对堰塞坝坝体动力响应的分析
15、还相对较少。石振明等(2014)基于振动台试验,分析了地震力对堰塞坝坝体稳定性的影响,并指出地震不会引起坝体的直接失稳破坏。赵留园等(2020)对地震作用下边坡随机动力分析方法做了相关论述。周亦良等(2017)基于振动台试验,探讨了地震力作用下,堰塞坝坝体内地震动水压力的分布规律,并进一步分析其动力稳定性。现有关于堰塞坝渗流特性的研究主要集中于渗流稳定性及渗流对坝体材料特性的影响,而较少考虑堰塞坝坝体结构松散及材料分布不均匀的特点,且较少考虑坝体渗流对堰塞坝溃决破坏模式的影响。在坝体动力响应方面,较少有学者考虑余震对堰塞坝坝体稳定性及其破坏模式的影响。数值模拟是当前分析堰塞坝渗流及动力响应特征
16、的主流手段,当前采用的数值方法主要包括离散元法、有限元法等。在离散元法方面,李维朝等(2020)基于离散元与流体动力学(CFD-DEM)的方法,对堰塞体颗粒材料渗流破坏特征展开研究。王东坡等(2021)基于光滑粒子流(SPH)法分析了泥石流冲击作用下泥石流拦挡坝的动力响应特征。离散元方法能够很好地模拟渗流及动力作用下土体与土体及土体与流体之间的相互作用,但存在建模复杂、参数标定以及计算量大的缺点。有限元法方面,孙旭曙等(2020)基于 GeoStudio 岩土分析软件对均质土坝正交各向异性渗流场展开相关研究。程焰(2016)基于 ABAQUS 分析了渗流作用下大坝的浸润面变化特征。梅伟等(20
17、20)采用 OpenSees 有限57531(2)杨江涛等:堰塞坝渗流稳定性及坝体动力响应研究元软件对地震作用下的土石坝动力响应特征进行了相关研究。有限元法建模简单,计算快捷,但是其在水土相互作用方面的模拟仍有待于进一步提高。基于上述分析,本文以唐家山堰塞坝为研究背景,基于大型通用有限元软件 ABAQUS 建立模型,分析堰塞坝在不同水位下的渗流稳定性和地震作用下的动力响应,在此基础上,进一步探讨坝体渗流及余震作用下坝体动力响应对堰塞坝溃决破坏模式的影响。图 2唐家山堰塞坝顺河向剖面图Fig 2The profile of Tangjiashan landslide dam(along the
18、river)1唐家山堰塞坝2008 年汶川“512”大地震后,在四川境内形成至少 257 个堰塞湖。其中:位于北川县上游4.7 km 处的唐家山堰塞坝,因其规模最大,潜在风险最高而受到广泛关注(图 1)。唐家山堰塞坝一旦发生溃坝,将对下游的北川县城造成毁灭性的灾害。图 1唐家山堰塞坝Fig 1Tangjiashan landslide dam唐家山堰塞坝为唐家山顺层滑坡堵塞通口河形成。堰塞坝坝高 82 m、坝长 803 m、坝宽 611 m,坝体总方量为 2106m3。堰塞坝形成后,堰塞湖水位于6 月 9 日升至最大水位 740 m,最大库容为 3.16108m3。考虑到堰塞坝一旦溃决为下游带
19、来的高风险,采取人工开挖泄流槽的方式以降低堰塞坝库容及水位。通过开挖泄流槽,堰塞坝于 1 d 后成功泄洪。堰塞坝经泄流后,由于水流的冲刷及侵蚀,坝体形成长约 600 m,顶宽 145235 m,底宽 80100 m,进口底板高程 710 m,出口底板高程 703 m 的泄流通道,堰塞体未发生整体溃坝(胡卸文等,2009)。泄流后上游库水位基本保持 713 m 高程水位,库内蓄水量约 0.8108m3水量。唐家山堰塞坝顺河向地质剖面图如图 2 所示(黄河等,2008),根据其组成成分间的差异,堰塞坝组成材料从上至下可划分为以下 5 层:碎石土、强风化碎裂岩、弱风化碎裂岩、粉细砂以及下卧基岩。上部
20、碎石土及强风化碎裂岩由于其结构松散及抗侵蚀能力弱而极易被水流冲走,底层弱风化碎裂岩引起在滑坡滑动阶段未发生严重的破碎而基本保持其原有的地层结构,因此,该部分坝体结构相对完整且不易受到水流的冲蚀。最底层粉细砂层及基岩层则分别为河床上覆第四纪冲积物及河床基岩,不受堰塞坝及溃坝水流的影响。2模型建立及工况设计唐家山堰塞坝渗流稳定性及坝体动力响应分析采用通用有限元软件 ABAQUS 进行,根据图 2 所示唐家山堰塞坝顺河向剖面图,建立有限元分析模型如图 3 所示。模型高 162 m,顺河向长 1400 m。本构模型采用莫尔库仑模型,其屈服准则方程为:Tf=(13)f=2ccos+(1+3)fsin 1
21、 sin(1)式中:Tf土体抗剪强度;1为最大主应力;3为最小主应力;为岩土体内摩擦角;c 为黏聚力。模型底部设置不透水边界,水平向和竖向都施加位移约束,坝体两侧和坝基上表面为透水边界,坝基的左右两侧均施加水平向位移约束。根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院研究报告及罗刚(2012),综合确定堰塞坝各层材料的物理力学参数如表 1 所示。675Journal of Engineering Geology工程地质学报2023表 1唐家山堰塞坝坝体材料参数Table 1Material parameters of Tangjiashan landslide dam土层孔隙比 e密度/kg m3黏聚
22、力 c/kPa内摩擦角/()弹性模量 E/MPa泊松比 v黏滞系数 渗透系数 k/m s10362100200354000250165106037210020035500020016110305525002504025000200165104049190020161500300165105003275039040115000150165107针对堰塞坝渗流稳定性,采用 ABAQUS 中的流体渗透/应力耦合分析,其中:坝体内部水力条件通过设置孔压边界实现,坝体内部各单元节点流速采用 Brinkman-Forchheimer 方程计算:ui/t=ui aui b|u|ui pi(2)ui/xi=0
23、(3)式中:ui为土体平均流速分量(ms1),为 Brink-man 系数;a 为 Darcy 系数;b 为 Forchheimer 系数;p 为孔压(kPa)。图 3堰塞坝渗流稳定性及动力响应计算模型Fig 3Numerical model for simulating the seepage stability and dynamic response of landslide dam模型采用三角形六节点平面应变孔压单元(CPE6MP),共划分 11 980 个单元。考虑各土层的渗透系数,其中:强风化碎裂岩的渗透系数相对较高,为 1103ms1,且高于表层碎石土的渗透系数(5 106ms1
24、)。唐家山堰塞坝初期库水位为710 m,历史最高蓄水位为 740 m,考虑堰塞坝泄洪前后上游水位的差异,本文选取上述两种典型库水位,分析唐家山堰塞坝坝体的渗流稳定性。针对唐家山堰塞坝在余震作用下坝体的动力响应分析,模型采用四节点平面应变减缩积分单元(CPE4)。模型内部设置 9 个监测点,其中:监测点 A,B,C,D 沿高程等间距分布,用来监测坝体的加速度反应。A 点为坝体最高点,高程为752.13 m;B 点高程为 698.19 m;C 点高程为 644.67 m;D 点为坝底监测点,高程为 590 m。E,F,B,G 为相同高程的 4 个监测点,4 个点距左下角的水平距离分别为 179.8
25、 m,569.7 m,853.9 m,1076.6 m。H 点和I 点为上游坝坡相对高程较高的点(地形上凸起的位置),用来监测坝体内典型位置的位移。为探究不同地震峰值加速度作用下的堰塞坝坝体动力响应,本文对 740 m 水位下坝体模型分别输入加速度峰值为 0.071g,0.2g,0.41g 和 0.63g 的地震波,分别对应八度多遇、八度基本、八度罕遇、九度罕遇 4 种地震烈度。模型中地震动输入采用位移边界类输入方式,即对模型输入加速度时程曲线。地震波形选用汶川波(卧龙台记录),其水平向和竖向加速度时程曲线和傅里叶谱如图 4 所示(图中峰值统一调整为 0.1g)。由于主要震动发生在前50 s,
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