水利工程土石圍堰穩(wěn)定性計算

藺宏巖

（綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院 黑龍江綏化 152000）

一、工程介紹

工程位于西南某江河流段，大壩為重力壩，裝機(jī)容量475MW。大壩基礎(chǔ)高程2018m，壩頂高程2110m，正常蓄水位2080m，最大壩高92m，

壩頂長500m，采用壩后式地面廠房。該水電站采用的是左岸引水隧洞導(dǎo)流。隧洞口圍堰采用土工膜斜墻土石圍堰，圍堰堰頂高程2800m，最大堰高7.9m，最大擋水水頭約為6.2m，堰基采用封閉式砼防滲墻，防滲墻最大深度18m，厚0.8m。引水隧洞設(shè)于庫區(qū)左岸，為有壓隧洞后接豎井及有壓隧洞，全長約14.5km，隧洞進(jìn)口底板高程2096m，開挖斷面為馬蹄形，出口底板高程1971m，比降2‰，引水流量120m3/s，隧洞口采用土石圍堰制造干法施工環(huán)境。綜合考慮現(xiàn)場施工進(jìn)度和計劃安排，臨時土石圍堰設(shè)計位置剛好處于距隧洞口10m 處，典型二維斷面如圖所示。圍堰底部寬38.2m，頂部通行寬7m，南側(cè)邊坡最大斜率為1：1.5，圍堰南側(cè)聯(lián)通河流，最高水位和最高低水位分別是6.2m 和4.8m，如圖1-1所示。

圖1-1 土石圍堰剖面圖

二、影響土石圍堰安全的因素

（一）滲流。圍堰通常以臨時建筑的形式出現(xiàn)在工程中，通常在隧洞施工導(dǎo)流期間給主體工程阻擋洪水而創(chuàng)造所需要的干燥的施工環(huán)境[1]。并且由于土石圍堰具有歷史悠久、能充分利用當(dāng)?shù)夭牧希鼗m應(yīng)性強(qiáng)，造價低，施工簡便等優(yōu)點而成為當(dāng)今世界大多數(shù)國家臨時圍堰的首選。然而土石圍堰失事的案例中很多是由于滲透破壞而引發(fā)的，目前世界各國均將土石圍堰的滲流問題視為影響其安全的關(guān)鍵因素。

（二）滑坡。滑坡是土石圍堰失事的另一個主要原因。滑坡是土石圍堰的常見破壞現(xiàn)象之一，常常會給工程帶來損失。我國流關(guān)嶺土石圍堰建設(shè)過程中出現(xiàn)的事故就是由于滑坡而導(dǎo)致的[2]。而水位的升降往往是引起滑坡的主要原因且大部分滑坡都發(fā)生于工程竣工的初期。比如，美國費琴河上的羅密爾水庫建成蓄水后不到一年就發(fā)生了兩起滑坡事故,其中一起發(fā)生在蓄水后半年內(nèi)且也是發(fā)生在水位驟降的情況下。

（三）沖刷。圍堰遭受沖刷在很大程度上與其平面布置有關(guān)，尤其在分段圍堰法導(dǎo)流時，水流進(jìn)入圍堰區(qū)受到束窄，流出圍堰區(qū)又突然擴(kuò)大，這樣就不可避免的在河底引起動水壓力的重新分布，流態(tài)發(fā)生急劇改變，此時圍堰的上下游轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生很大的局部壓力差，局部流速顯著增高，形成螺旋狀的底層渦流速度方向自下而上，從而淘刷堰腳及基礎(chǔ)。

（四）軟基及深厚覆蓋層。影響圍堰安全的另一個重要因素是軟基及深厚覆蓋層。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外建于軟基及深厚覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于建設(shè)條件復(fù)雜使得工程工期延遲而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因為深厚覆蓋層其成因類型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)和級配變化大、力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)較大的不均勻性等原因會給圍堰建設(shè)帶來非常大的難度。

三、土石圍堰穩(wěn)定性計算

（一）研究方法。

1.滲流理論。工程能否滿足安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的要求，在很大程度上取決于能否正確的對工程進(jìn)行正確的滲流分析和恰當(dāng)?shù)倪x擇合理的滲流控制措施[3]。因此用一種假想水流來代替在巖石空隙運動的真實水流，這種假想水流具有通過任一斷面流量與真實水流相等和在某一斷面水頭和壓力和真實水流一樣的性質(zhì)。這就是滲流基本理論[4-5]。

基于飽和非飽和土體滲流的達(dá)西定律，表述如下：q=Ki

式中：q—單位體積的流量，m3/s；K—滲透系數(shù)；i—總水頭梯度。

達(dá)西定律既適用于飽和土體滲流也可以應(yīng)用于非飽和土滲流。唯一的區(qū)別是滲透系數(shù)在非飽和條件下的不再是常數(shù)，土體的含水量隨著滲透系數(shù)變化而變化，并且水壓力也間接地隨著變化而變化。

達(dá)西定律經(jīng)常被寫成如下的形式：V=Ki

式中：V—達(dá)西流速，m/s。

實際情況下，水穿過土層的平均流速時線速度，它等于達(dá)西流速除以土的孔隙率。在非飽和土中，它等于達(dá)西流速除以單位體積的含水量。

2.有限元強(qiáng)度折減法原理。Midas/GTS的邊坡穩(wěn)定分析采用了基于有限單元法的強(qiáng)度折減法。有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是將邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角值）均除以折減率，得到一組新的Cmin、φ1，即經(jīng)過折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：

式中：F—邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定安全系數(shù)；C—為滑面黏聚力；φ—滑面內(nèi)摩擦角。

計算Cmin值后輸出參數(shù)并進(jìn)行下一步的試算，直到不收斂結(jié)束。將沒有收斂的階段視為破壞，并把未收斂階段的最大強(qiáng)度折減率作為最小的安全邊坡系數(shù)。當(dāng)達(dá)到最小邊坡系數(shù)時坡體也達(dá)到了極限狀態(tài)而發(fā)生剪切破壞，同時坡體的破壞滑動面也得到。

使用Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)在非現(xiàn)場的情況下對真實的實際工礦做到最大限度的模擬并可以直接得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，通過連續(xù)的的折減強(qiáng)度參數(shù)可以從數(shù)值上來分析坡體內(nèi)塑性區(qū)域的發(fā)展情況。邊坡的滑動面的形成、發(fā)育和破壞的過程可以從有限元計算結(jié)果中反映得到，從而獲得邊坡的最終破壞模式，同時得到邊坡相應(yīng)強(qiáng)度儲備的安全系數(shù)。

（二）結(jié)果與分析。

1.滲流穩(wěn)定分析。采用Midas/GTS建立有限元模型，對邊坡進(jìn)行滲流及穩(wěn)定性計算，如表1所示。

表1 地層巖土參數(shù)取值

滲透系數(shù)取值參數(shù)選取如下：

（1）圍堰南側(cè)一層0.6m厚的不透水層，滲透系數(shù)取1.0×10e-5m/s；

（2）圍堰滲透系數(shù)參照相關(guān)資料和施工經(jīng)驗定為1.0×10e-5m/s；

（3）基巖滲透系數(shù)取3.0×10e-5m/s。

荷載的計算包括：圍堰自身自重荷載+堰身通行時過往車輛的自卸車荷載+空隙水壓力。自卸車載荷：考慮自卸車滿載時自重55t 最大載荷情況。自卸車后軸距1.4m，輪距1.9m。考慮土體對荷載的擴(kuò)散性，填料的擴(kuò)散角為39°，擴(kuò)散深度按照2.0m計算得到受力面積為：

A=（2×2.0tan39o+1.4)×(2×2.0tan39o+1.9)=23.8m2

堰上不均布荷載計算值為：q=55×9.8/23.8=22.6kPa

荷載系數(shù)取1.6，則荷載設(shè)計值為：

Q=22.6×1×1.6=36.2kN/m

作用范圍為：

L=2×2.0tan39o+1.9=5.12m

圍堰南側(cè)放水北側(cè)無水，該工況只驗算圍堰北側(cè)的邊坡穩(wěn)定性，荷載為圍堰的自重荷載+自卸車荷載圍堰+兩側(cè)水頭差引起的滲流孔隙水壓力。圍堰邊坡的南側(cè)和北側(cè)穩(wěn)定計算結(jié)果如圖3-1所示。

圖3-1 滲流穩(wěn)定分析效果圖

結(jié)果表明圍堰南側(cè)有水，北側(cè)無水。在南側(cè)水頭壓力下形成穩(wěn)定滲流場，并由滲流分析得北側(cè)坡腳處滲透流量為12.4m3/d·m。將滲流計算出來的孔隙水應(yīng)力場讀入邊坡穩(wěn)定的應(yīng)力場進(jìn)行耦合計算，得到圍堰北側(cè)北側(cè)的邊坡安全系數(shù)最小值為1.16。

2.邊坡穩(wěn)定性分析。該邊坡為人工回填料邊坡，坡高取20m，粘聚力取20kPa，內(nèi)摩擦角取39°，泊松比取0.2，彈性模量取3000kPa，滲透系數(shù)取0.001m/d。工況一： 在右側(cè)邊界施加6.2m的水頭荷載；工況二：在右側(cè)邊界施加4.8m的水頭荷載。通過計算得到最小水頭荷載、最大水頭荷載時的安全系數(shù)和滑動面位置，如圖3-2所示。

圖3-2（a）最小水頭荷載時安全系數(shù)和滑動位置

圖3-2(b) 最大水頭荷載時安全系數(shù)和滑動位置

分析可知最小水頭荷載的邊坡安全系數(shù)為1.29，邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)。最大水頭荷載時的邊坡安全系數(shù)為1.16，安全系數(shù)有所減小，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但對某些安全系數(shù)要求較高臨時工程也需對邊坡進(jìn)行加固。基于Midas/GTS軟件的計算和分析：該土石圍堰在該滲流狀況下是基本穩(wěn)定的，發(fā)送滲流破壞可能性較小。因為由分析圖示數(shù)據(jù)可知臨時圍堰設(shè)計斷面在不少于90%密實度分層碾壓施工工藝的控制下，邊坡的最小安全系數(shù)為1.16，可以滿足規(guī)范安全性要求。

四、結(jié)論

基于Midas/GTS軟件分析計算結(jié)果得出：1.該工程圍堰北側(cè)坡腳在水壓力作用下，最大滲透流量為12.4m3/d·m，滲水量較小，臨時圍堰設(shè)計斷面在不少于90%密實度分層碾壓施工工藝的控制下，邊坡最小安全系數(shù)為1.16，可以滿足規(guī)范安全性要求。2.為避免滲流對圍堰坡腳造成影響，可在南側(cè)距離圍堰坡腳4m以外的位置開挖0.8m深的排水溝。由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，圍堰的潛在失穩(wěn)區(qū)位于圍堰南側(cè)的淺中層圍堰體內(nèi)，破壞模式為弧面型滑移，沿圍堰南側(cè)滑出。