考慮水位升降的土石壩動態穩定性分析方法研究

楊少博 曾 月

（重慶交通大學 水工建筑物健康診斷技術重慶市高校工程研究中心, 重慶 400074）

1 概述

從土石壩長期工作過程來看，庫水位處于周期性的變化之中。位于水位變動區的土石料應特殊考慮，張芳枝[1]對多次干濕循環后的黏土試樣開展三軸試驗，發現干濕循環后的試樣的有效內摩擦角和吸力內摩擦角較初始值分別降低了10%和15%。劉新榮[2]以泥質砂巖為研究對象，發現泥質砂巖的黏聚力和內摩擦角隨著干濕循環次數的增加而減少，且黏聚力、內摩擦角與循環次數之間存在函數關系。穆坤[3]在研究干濕循環對紅黏土長期性能的影響后發現壓實紅黏土和黏聚力與內摩擦角隨循環次數的增加而衰減，首次干濕循環之后衰減效應最顯著，其后較弱并趨于穩定。還有學者[4-6]研究了不同巖土體干濕循環后的力學特性，均得到了相似的結論。

目前常采用經典的條分法對土石壩壩坡進行穩定性分析，這種方法僅針對土石壩在某一固定水位下土體特定強度參數指標的最小安全系數。這種方法并不能反映水位變動作用下穩定性系數的變化過程，因此對水位變化誘導下的壩坡穩定性動態過程分析顯得很有必要。

2 動態穩定性分析方法

假設下游水位穩定，上游高水位和低水位情況下浸潤線差別較大，部分土體在動態水位作用下受到周期性飽水-疏干作用，其強度指標將隨之發生改變，進而影響壩坡穩定安全系數。

3 算例分析

在建的兩河口水電站位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內的雅礱江干流上，大壩為心墻土石壩，筑壩材料為砂巖料，心墻材料為摻粒粘土，壩基為變質砂巖、砂質板巖相間分布。壩頂高程2875m，最大壩高295m，水庫正常蓄水位2865m，度汛期蓄水位2795m。壩頂寬度為16m，上游邊坡為1:2，下游綜合邊坡為1:1.9，對壩體區域進行簡化。

根據正常水位和度汛期水位計算兩種工況下土石壩內浸潤線；利用瑞典圓弧法確定最危滑弧位置，并將圓弧劃分為16塊，編號如圖所示；粘土心墻料天然重度18k.0N/m3,飽和重度20.0kN/m3，黏聚力8.0kN/m3，內摩擦角21.0°，壩體砂巖料天然重度25.3kN/m3,飽和重度25.6kN/m3，黏聚力10.1kN/m3，內摩擦角45.1°。

在經歷了1次、5次、10次、15次、20次干濕循環后，壩坡安全系數依次降低了0.159、0.217、0.241、0.255、0.267。安全系數在進行一次循環后下降幅度較大，在經歷五次循環后下降速率降低，在進行十次循環后安全系數趨于穩定。

4 數值分析

采用Plaxis有限元軟件對本文案例進行數值分析。根據設計單位的資料，壩基基底為中風化的砂質泥巖，假定其為不透水邊界，坡體底邊固定約束水位邊界，其他為自由邊界。構造二維平面應變有限元計算模型。網格通過搜索最優三角形單元，生成微結構性的網格。模型共剖分525個15節點有限元網格單元，共計4403個節點。為了保證計算結果的準確性，在坡腳處增大了網格的密度。

根據實際工程需要選擇理想彈塑性和摩爾-庫倫屈服準則進行數值模擬。模擬兩種不同工況下土石壩上下游水位，得到兩條典型浸潤線。將兩條浸潤線之間的部分獨立出來，改變這部分土體的參數模擬水位變動對土石壩造成的影響，其他參數不變，用Plaxis內嵌的Phi-C折減程序對壩坡進行強度折減分析，在程序中系數定義為強度折減系數。數值模擬計算結果顯示，安全系數在經過1次、5次、10次、15次、20次循環后依次下降了0.053、0.07、0.23、0.242、0.307。

5 討論

分析表明，隨著水位變動次數的增加，兩河口土石壩的壩坡穩定安全系數逐漸降低，在經歷20次循環后，安全系數的減小值接近0.3。但兩種方法得到的衰減規律不盡相同。利用圓弧條分法得到的安全系數在經歷了1次循環后大幅降低，隨著循環次數的增加安全系數的減小趨勢放緩，在10次循環后基本趨于穩定。通過數值模擬得到的結果，安全系數的變化趨勢相對平緩，只有在5次至10次循環之間變化較大。

瑞典圓弧法是通過事先假定最危險滑弧的位置，逐個計算每個條塊的受力情況，以整個滑動體受到的抗滑力與滑動力的比值作為壩坡穩定安全系數。有限元分析利用強度折減法確定安全系數的原理是首先對于某一假定的強度折減系數FS，將土的強度參數c，tanj同時進行折減，通過逐級加載的彈塑性有限元數值計算來確定邊坡內的應力場、應變場或位移場，并且對應力、應變或位移的某些分布特征以及有限元計算過程中某些數學特征進行分析，反復試算直至程序不收斂為止，取得壩坡穩定系數。相較而言，前者在假定壩體的滑動面時需要先根據4.5H法或36°線法確定圓弧圓心的位置，再根據經驗確定圓弧半徑。通過數值模擬發現，壩內土體的應變更多的集中在受水位變動影響的那部分土體，這就導致壩坡的滑動面不再是常規的圓弧形，而是一種折線與弧線復合的形態。這一特征在經歷10次循環后尤為明顯，表現為數值模擬的結果在10次循環后安全系數下降幅度較大。其次，前者的浸潤線是建立在對大壩滲流條件做某些簡化假設的基礎上的一種解析計算方法，其基本假設與實際情況往往存在出入，使得計算結果誤差較大。后者是將實際的滲流場離散為有限個節點相互聯系的單元體，首先求得單元節點處的水頭，同時假定在每個單元內的滲透水頭呈線性變化，進而模擬出滲流場作用下的壩內水頭。

兩種方法得到的規律不同主要是受限于傳統瑞典圓弧法的一些局限性。考慮到數值模擬的建模計算過程相對復雜，且兩種方法計算的在循環20次后得到的結果僅相差0.040，采用改進后的瑞典圓弧法判斷土石壩在多次循環后的壩坡穩定性仍具有一定的參考價值。

6 結論

通過引入巖體在干濕循環作用下的力學參數劣化規律，對圓弧-條分法確定壩坡穩定安全系數的公式進行修正。對土石壩滲流進行數值模擬，經比對發現兩種方法計算出的壩坡穩定安全系數的減少值均接近0.3，但受制于瑞典圓弧法的一些缺陷，導致兩種結果的演化規律不完全相同。在土石壩的規劃設計過程中，以多次水位升降后的的壩坡穩定安全系數作為設計值來判斷壩坡的穩定性更為準確。