不同工況下均質土壩壩坡穩定性研究

白閏平 劉海宇 谷宏海

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

土壩由于筑壩材料的取材方便和相對造價低廉兩個主要原因，成為了應用較為廣泛的一種水庫樞紐建筑物[1,2]。關于土壩方面的研究，土壩的安全一直是研究重點。在水庫運行期間，土壩的壩坡穩定對水庫的安全運行至關重要，因此壩坡穩定也是土壩設計的重要內容[3-7]。1970年，江西七一水庫在引水隧洞施工期因采用巖塞爆破而無法控制庫水位的降落速度，左、右壩段上游面相繼發生滑坡[3,4]。1979年，湖北省獅子巖土石壩，因發現漏水而決定放空水庫，隨后上游壩坡受庫水位驟降影響產生滑坡[3,4]。文中筆者將針對穩定滲流期、施工期、水位驟降期和正常運行遇地震的幾種工況下對均質土壩的壩坡穩定進行計算分析，進而研究不同工況下土壩的壩坡穩定。

2 基本資料

文中均質土壩的壩頂高程為1 019.0 m，最大壩高38.0 m，壩頂總長218.96 m，壩頂寬度為7 m，最大壩底寬215 m；上游壩坡為1∶3.0；下游壩坡1∶2.5，在高程1 004.0 m、高程989.0 m兩處設寬2.0 m的馬道，排水棱體頂高程985.0 m，頂寬2 m，下游坡比為1∶2.0。

針對不同工況給出計算參數如下：

1)施工期。本工況計算參數通過實驗結果和工程經驗類比確定。各分區材料計算參數見表1。

表1 壩坡穩定計算參數表(一)

2)正常運行期(穩定滲流期)。本工況計算參數通過實驗結果和工程經驗類比獲取。各分區材料計算參數見表2。

表2 壩坡穩定計算參數表(二)

3)水位驟降期。本工況計算參數通過實驗結果和工程經驗類比獲取。各分區材料計算參數見表3。

表3 壩坡穩定計算參數表(三)

3 計算原則和基本假定

文中采用剛體極限平衡分析法進行計算。基本假定如下：

1)破壞準則：摩爾—庫侖破壞準則；2)孔隙水壓力：根據浸潤線的位置按簡化原則確定。假定流場的等勢線鉛直，某點的孔隙水壓力的水頭等于該點至浸潤線與該點至坡外水位的鉛直距離差；3)坡外水位：坡外水位以下的那部分土體的自重被轉換成浮容重，而浸潤線與坡外水位之間的那部分土體仍用飽和容重；4)計算庫水位驟降情況下的上游壩坡穩定時，利用非穩定滲流計算(正常蓄水位到死水位)所得浸潤線作為壩體內水位驟降的浸潤線；5)施工期假設壩基上下游無水，施工期水位為地下水位。

4 計算工況

計算工況的選取如表4所示。

表4 下壩址壩坡穩定計算工況

5 計算結果分析

本文采用Autobank7.7軟件進行計算分析。地震工況下，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g。

均質土壩壩坡的穩定計算分為兩個步驟：

1)建立有限元模型，通過計算得出各工況下的壩體浸潤線。

2)將所得壩體浸潤線作為壩體穩定計算的水位線，采用軟件的自動搜索功能得出最危險滑弧的安全系數。

均質壩滲流計算有限元模型見圖1。

通過壩坡的穩定計算，得出各工況下壩坡的最危險滑弧位置與最小安全系數，如圖2所示。

根據上述計算，得出均質土壩壩坡最小安全系數，匯總于表5。

表5 各工況下壩坡穩定計算結果

從計算結果中分析可以看出，壩坡的滑弧均為深滑弧，在大多數工況下，最危險滑弧的滑出點位于壩頂下方。在庫水位驟降工況下滑弧深度較其他工況淺，但仍在安全范圍內。最危險的工況為水位驟降工況。

6 結語

文中通過對不同工況下均質土壩的壩坡穩定性進行計算，發現水位驟降工況下壩坡穩定性最低。導致壩體穩定性下降的主要原因有兩點：1)均質土壩在庫水位驟降的工況下，壩體土的孔隙水壓力來不及消散，致使壩體土顆粒之間的粘結強度降低；2)庫水位驟降引起對壩坡穩定性有利的臨水側水壓力的消失。正是由于上述兩點主要原因，造成了壩體臨水側壩坡穩定性的下降。