基于動水邊界條件下的黏土斜心墻壩坡穩定性探究

向宏榮，周 勇，關 峰

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2．湖北水總水利水電建設股份有限公司, 湖北 武漢 430034)

壩坡穩定分析是確定壩剖面和評價壩體安全的主要依據，其可靠程度對壩的經濟性和安全性具有重要影響[1]。對于水利工程而言，壩坡穩定是一個多學科交叉和多研究手段的復雜課題，涉及結構工程、材料學、工程地質學、流體力學等多方面相互關聯問題[2]。事實上，壩坡穩定是一個受自身物質條件和外部環境條件影響的復雜地質系統，涉及巖土力學性質、降雨、庫水位的升降變化等多方面因素[3]。目前，探究影響庫岸邊坡穩定的因素諸多，然而，探究壩坡穩定的影響因素研究則相對偏少。

近年來，不少學者對水庫邊坡處于有水情況下的穩定性進行研究，并得到相應的研究成果。例如，王歡[4]探究了庫水位變化對壩坡穩定性的影響，發現庫水位變化時會對下游壩坡穩定性造成較大影響；辛保泉[5]研究了降雨入滲條件下基質吸力對壩坡穩定性影響，研究結果表明，降雨隨著土體含水率的增加，壩坡穩定性逐漸降低；此外，喬娟等[6]研究了黏土斜心墻土石壩穩定性影響因素，探究壩高和黏土斜心墻高對壩坡穩定的影響，論證了壩高對上游壩坡穩定的影響相對較大，是影響上游壩坡穩定的關鍵因素。以上分別就庫水位變化、基質吸力以及靜水條件下影響壩坡穩定性的因素展開研究。然而，考慮動水條件下的壩高與壩坡穩定性規律研究相對較少，因此有必要對動水邊界條件下的黏土斜心墻壩壩高對壩坡穩定性影響規律展開研究。

針對上述研究中存在不足，本文以某具體工程實例為研究對象，針對動水邊界條件下的黏土斜心墻三種壩高進行抗滑穩定性系數計算，開展黏土斜心墻壩壩高與壩坡穩定性影響規律探究，為大壩在動水邊界條件下的壩坡穩定性提供科學指導，提高壩坡整體穩定性。

1 研究資料

1.1 研究對象

本文依托某黏土斜心墻土石壩展開動水邊界條件下的壩高與壩坡穩定性規律研究。根據實際工程資料，結合《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)[7]對該工程進行分等、分級，為探究動水邊界條件下的黏土斜心墻壩高與壩坡穩定性影響，本文設計了3種不同的壩高。結合《碾壓土石壩設計規范》(SL 274—2001)[8]，取正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位三種計算工況下的最大計算壩高作為設計壩高。通過計算分析，校核洪水位工況下的計算壩高值最大，因此，以校核洪水位下的計算壩高作為其壩高的設計值。3種不同的壩高具體剖面設計如表1所示，以壩高45.3 m、95.7 m、146.2 m為例。

表1 3種不同壩高的剖面設計

1.2 計算工況與安全系數的選取

為探究動水邊界條件下的黏土斜心墻壩高與壩坡穩定性影響規律，以校核洪水位的情況為例設計了3種不同壩高的剖面進行研究。由于本工程屬于1級工程，且其所在地的基本地震烈度為Ⅳ級，因而不需要考慮地震作用。結合實際情況，本工程的壩高與壩坡穩定性影響規律主要考慮穩定滲流期、水庫水位降落[9-10]時，具體考慮工況如下：

穩定滲流期校核兩種工況下的上、下游壩坡穩定：(1)上游為正常蓄水位或設計洪水位，下游為相應水位，屬正常運用條件。(2)上游為校核洪水位，下游為相應水位，屬非常運用條件。

水庫水位降落期校核兩種工況下的上、下游壩坡穩定：(1)上游為正常蓄水或設計洪水位突然放空時，屬正常運用條件。(2)上游為校核洪水位突然放空時，屬非常運用條件。

表2 壩坡抗滑穩定安全系數

1.3 材料參數

壩體不同分區的材料物理力學以及基巖強度參數指標主要包括內摩擦角、容重、有效黏聚力等，它是由現場大體積密度試驗、大剪試驗及室內剪切試驗獲得，具體材料參數如表3所示。

表3 壩體不同分區材料參數

2 壩坡穩定性分析計算模型及方法

2.1 計算方法

極限平衡法在邊坡穩定性分析中應用十分廣泛，對多余變量假定的不同構成了不同的極限平衡條分法[11]。目前工程上采用的土坡穩定分析的方法，大多數是建立在極限平衡理論基礎之上的。計算采用Geo-Studio2007分析軟件中的Slope/w模塊進行穩定場的模擬，三種壩高在滿足穩定滲流條件下，進行動水邊界條件下的壩坡穩定分析，并結合Slope/w模塊以極限平衡理論中的Morgenstern-Prince(簡稱M-P法)[12-13]分析法進行邊坡穩定性的抗滑安全穩定系數計算。

2.2 計算假定

經現場踏勘發現，可能存在潛在滑移面。根據邊坡地質條件及滑動破壞特征，采用GEO-Slope/w程序的Morgenstern-Price法建立計算模型。Morgenstern-Price法可對任意形狀的滑裂面進行分析，故作如下假設[14]：(1)假定滑裂面為任意形狀，且兩滑動土條的法向條間力和切向條間力之間存在關于水平方向坐標的函數關系。(2)每個土條均與土坡具有相同的穩定系數，當土坡處于穩定狀態時，任一土條在滑動面上的抗剪力只發揮了一部分，并與此時的滑動力相平衡。(3)以滑動土條底部法向力和平行方向力以及土條底部中心點的力矩平衡建立力學方程。

2.3 壩坡穩定性分析計算模型

Geo-Studio[15]是一套專業、高效且功能強大的適用于巖土工程、水利工程、地質工程以及公路工程等相關領域開發的仿真分析軟件，它包含Seep/w、Slope/w、Sigma/w、Quake/w等一系列的有限元分析模塊。本文采用Slope/w模塊建立數值模型來探究動水邊界條件下壩高與壩坡穩定性之間的關系，數值建模具體步驟：(1)設置坐標軸及比例、輸入坐標控制點。(2)建立模型以及網格劃分、輸入材料參數以及定義本構關系。(3)輸入邊界條件，計算求解。

在進行穩定分析之前，首先要對壩體剖面不同分區材料進行材料填充，以其中45.3 m的壩高為例進行材料填充，定義邊界條件，如圖1所示。

圖1 穩定分析模型示意圖

3 結果分析

3.1 穩定滲流期計算結果分析

采用極限平衡法分別計算穩定滲流期上下游壩坡抗滑穩定安全系數，計算見圖2、圖3。

圖2 各工況下不同壩高的上游壩坡抗滑穩定安全系數

圖3 各工況下不同壩高的下游壩坡抗滑穩定安全系數

在穩定滲流期，三種壩高在三種不同工況下，其最小安全系數均大于規范規定值，說明三種不同壩高剖面設計滿足穩定滲流要求。上、下游壩坡抗滑安全系數隨著壩高的增加而增大，并且上游壩坡抗滑穩定安全系數大于下游。說明安全系數與壩高有關，上游壩坡比下游更加穩定。

3.2 水庫水位降落期計算結果分析

通過Slope/w建模計算，計算不同壩高三種工況下1 d、3 d、5 d、7 d水庫放空時，上、下游壩坡最小安全系數，具體數據見圖4～圖7。

圖4 1 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩定性安全系數

圖5 3 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩定性安全系數

圖6 5 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩定性安全系數

圖7 7 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩定性安全系數

圖4～圖7分別為1 d、3 d、5 d、7 d放空條件下，三種壩坡在各工況下的抗滑穩定性安全系數：

(1)當壩高為45.3 m，根據圖4～圖6數據可以看出，水庫自水位降落1 d、3 d、5 d放空(持續30 d)情況下，上、下游壩坡最小安全系數小于規范規定值，說明大壩有可能在第1 d、3 d、5 d泄水放空時候失穩，這對大壩運行管理十分不利；根據圖7數據，水庫在第7 d泄水放空時，上、下游壩坡最小安全系數大于規范規定值，因而在第7天泄水放空時候，水庫是安全的。

(2)當壩高為95.7 m以及146.2 m，1 d、3 d、5 d、7 d放空，上、下游壩坡最小安全系數均大于規范規定值，說明此時放空天數對上、下游壩坡失穩影響不大，但為了安全以及運行管理方便，還是建議7 d放空對大壩進行檢修維護。

(3)當水庫處于水位降落期時，上游壩坡抗滑穩定安全系數總是小于下游壩坡抗滑穩定安全系數，上游坡腳穩定性不夠，此時發生滑坡的可能性很大，這是因為上游壩坡的表層在孔隙水壓力及應力場作用下，很快達到飽和，此時壩坡的基質吸力減小，基質吸力的減小會造成土體抗剪強度的減弱，進而影響壩體安全，極其容易形成滑坡[16]。

4 結 語

本文根據極限平衡法，通過Slope/w建模計算三種壩高在不同工況下抗滑穩定安全系數，得出如下結論：

(1)三種不同高度的壩，在動水邊界條件下黏土斜心墻壩壩坡抗滑系數隨壩高的增大而增大。

(2)在穩定滲流期，上游抗滑系數大于下游，但是在水位降落期，下游抗滑系數大于上游。

(3)水庫水位降落期，水庫放空1 d、3 d、5 d，低壩上游壩坡抗滑系數比下游壩坡抗滑系數小并且小于規范規定值，此時極易失穩，存在較大局部滑動的可能性。因此，該壩上游坡在放空期存在更為嚴重的安全隱患，應進行加固處理，確保大壩的安全運行，應加厚坡體，增強壩體的穩定性，以保證大壩的安全和工程效益的正常發揮。