基于飽和—非飽和土理論的加固土石壩穩定性對比分析

劉治華

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

壩坡屬于特殊的邊坡，是按規范設計并填筑起來的人工邊坡，其分析方法與邊坡的分析方法相同[1]。對邊坡穩定的分析方法可分為定性分析與定量分析。定性分析主要是利用地質勘察資料，對邊坡穩定性的各類影響因素、變形及失穩破壞方式進行分析，得出一個評價邊坡穩定狀態和發展趨勢的定性說明[2]。定性分析的特點是能綜合考慮邊坡穩定的各類影響因素，從而快速地評判邊坡的穩定狀態和發展趨勢[3]。目前在工程實踐中，經常使用的定量分析法主要有極限平衡法、有限元法、滑移線法和極限分析法等確定性分析法，以及以概率為基礎的非確定性分析法，其中極限平衡法和有限元法最為常用[4]。

1 工程概況

1.1 工程概況

某水庫樞紐由大壩、輸水洞、輸水明渠等建筑物組成，大壩為均質土壩，壩高33.8 m，壩頂高程1227.8 m，壩頂長72.0 m，壩頂寬16.5 m，壩基寬209.0 m，壩基高程1195.0 m，大壩迎水坡坡比1∶3，背水坡坡比自上而下為1∶1.6、1∶1.2、1∶2.1。壩體內無防滲設施，壩后未建反濾排水體。

1.2 穩定分析條件

本次滲流穩定結合某水庫的實際情況，泄水建筑物(輸水管)的最大泄水能力僅為1.2 m3/s，壩前無水位驟降現象。按工況形成穩定滲流進行復核計算，如表1所示[5]。

表1 穩定滲流計算 m

指標壩體填筑土的飽和滲透系數采用《大壩土工試驗報告》建議值，如表2和表3所示。

表2 滲透試驗指標值 cm·s-1

表3 材料物理力學指標

2 穩定計算分析結果

2.1 僅考慮飽和土理論STAB穩定分析

采用簡化Bishop法進行壩坡穩定分析。僅考慮飽和土理論STAB穩定分析現狀壩體下游剖面穩定分析計算結果見表4所示[6]。根據計算結果可知，下游壩坡在各種工況下穩定安全系數均小于規范規定值。因此，對下游壩坡應進行培厚加固處理，為了降低浸潤線，防止大壩出逸點處發生凍脹破壞，在壩下游增設褥墊排水。對大壩采用上游鋪設土工膜、下游壩坡進行培厚加固，加固后的大壩壩坡進行穩定分析， 經過加固處理，大壩壩坡在各種工況下滿足穩定要求，達到了除險加固的目的，為除害興利創造了良好的基礎。

表4 僅考慮飽和土理論STAB穩定分析加固后大壩穩定計算結果

2.2 僅考慮飽和土理論GeoStudio建模分析

僅考慮飽和土理論GeoStudio建模分析現狀壩體穩定分析計算，對培厚加固后的大壩壩坡進行穩定分析，其結果見表5所示。

表5 僅考慮飽和土理論GeoStudio建模分析大壩穩定計算結果

2.3 僅考慮飽和土理論Midas/GTS有限元法

經過建模分析，僅考慮飽和土理論Midas/GTS有限元法現狀壩體穩定分析計算，對培厚加固后的大壩壩坡進行穩定分析，其結果見表6所示。

表6 僅考慮飽和土理論Midas/GTS有限元法大壩穩定計算結果

由表6可知，無論僅考慮飽和土計算還是考慮飽和-非飽和土計算，現狀大壩在各種工況下的穩定安全系數均小于規范值，存在滑坡危險。經過除險加固工程措施處理后，大壩在各種工況下均能滿足要求，達到了設計目的。

2.4 穩定分析結果對比

現對僅飽和土與考慮飽和-非飽和土這兩種理論時，傳統方法與有限元法所得的穩定計算結果匯總對比，具體見圖1所示。

圖1 傳統方法所得加固后大壩滑裂面

由圖1可知，兩款軟件對大壩穩定計算都是基于極限平衡法中的簡化Bishop法，所不同的是是否考慮了非飽和土對計算結果的貢獻。在同一種理論下(僅考慮飽和土工況下)，兩款軟件的計算結果相近，滑裂面位置近乎重合，這不僅是因為飽和-非飽和滲流分析所得大壩浸潤線較低，而且由于受基質吸力的影響，非飽和區土體的強度參數增大，導致壩體的抗滑力在一定程度上增大，所以安全系數增大。

3 兩種不同理論下計算結果對比分析

對于本工程計算的三種工況(正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位)，現將僅考慮飽和滲流和考慮飽和-非飽和滲流這兩種不同理論下，傳統方法與有限元法計算的安全系數結果進行對比分析，如圖2所示。

由圖2(a)、圖2(b)可知方法差異對安全系數的影響較小。現狀大壩穩定安全系數，在設計洪水位工況下三款軟件計算的差別最大，最大值與最小值的差值為0.0151，占該工況所得平均安全系數(0.798)的1.89%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0075，占該工況所得平均安全系數(0.780)的0.96%。加固后大壩穩定安全系數，在設計洪水位工況下差別最大，為0.0190，占該工況所得平均安全系數(1.282)的1.48%；在正常蓄水位工況下差別最小，為0.0117，占該工況所得平均安全系數(1.306)的0.90%。除險加固前后的這四個特殊安全系數所得比例的平均值為1.26%。由此可見，同為飽和滲流理論時，三款軟件計算結果非常相近，說明軟件的精度和采用的方法對安全系數的影響不是很大，這是因為有限元強度折減法與極限平衡法的本質是相同的。

由圖2(c)、圖2(d)可知非飽和土對大壩的影響。現狀大壩穩定安全系數，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.037，占該工況所得平均安全系數(0.854)的4.34%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0210，占該工況所得平均安全系數(0.791)的2.66%。加固后大壩穩定安全系數，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.0530，占該工況所得平均安全系數(1.334)的3.97%；在設計洪水位工況下差別最小，為0.0210，占該工況所得平均安全系數(1.286)的0.82%。除險加固前后的這四個特殊安全系數所得比例的平均值為2.95%。由此可知，僅考慮飽和土和考慮飽和-非飽和土理論的不同造成所得大壩安全系數相差較大，說明非飽和土對于安全系數的影響較大，這是因為該安全系數考慮了非飽和土中基質吸力對其的正面貢獻，使得分析結果相差較大，也說明了計算結果更為精確。

由圖2(e)、圖2(f)進一步可知非飽和土對大壩的影響。現狀大壩穩定安全系數，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.025，占該工況所得平均安全系數(0.850)的2.94%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0128，占該工況所得平均安全系數(0.788)的1.62%。加固后大壩穩定安全系數，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.0258，占該工況所得平均安全系數(1.325)的1.95%；在設計洪水位工況下差別最大，為0.0014，占該工況所得平均安全系數(1.290)的1.10%。除險加固前后的這四個特殊安全系數所得比例的平均值為1.90%。

圖2 不同狀況下的大壩安全系數值

由此可知，由于分析理論的不同，大壩安全系數的計算結果相差也較大，進一步證明了非飽和土對于安全系數的影響較大。

由圖2(g)、圖2(h)可知非飽和土強度參數對大壩安全系數的貢獻。現狀大壩穩定安全系數，在設計洪水位工況下兩款軟件所計算的差別大，大值與小值的差為0.0111，占該工況所得平均安全系數值(0.828)的1.34%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0069，占該工況所得平均安全系數值(0.798)的0.86%。加固后大壩穩定安全系數，在校核洪水位工況下差別最大，為0.0246，占該工況所得平均安全系數值(1.289)的1.91%；在設計洪水位工況下差別最大，為0.0166，占該工況所得平均安全系數值(1.289)的1.28%。除險加固前后的這四個特殊安全系數所得比例的平均值為1.47%。由此可見，由于GeoStudio軟件對飽和-非飽和土理論考慮的較為全面，而Midas軟件中有限元強度折減法較難考慮非飽和土強度參數，故所得大壩安全系數值有一些差距。

4 結 論

本文采用了僅考慮飽和土與考慮飽和-非飽和土這兩種理論計算并對比分析了工程實例在三種工況(正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位)下的穩定的結果，得出了飽和-非飽和土分析病險土壩更精確及其他結論，具體如下：

(1)考慮非飽和土強度參數對壩坡穩定的影響，理論上更加符合實際情況。由滲流及穩定計算結果可以看出，無論是大壩的浸潤線位置、滲透比降、滲流量，還是壩坡穩定安全系數，其規律均反映了考慮飽和-非飽和土理論的先進性。

(2)有限元強度折減法本質上與極限平衡法相同，但其具有更多優勢。引入強度折減法使得大壩滲流和穩定分析統一采用有限元法，不但簡化了計算過程，而且能夠計算土體的應力場和位移場，對研究人員探究病險機理，總結應力與變形規律，發現新問題提供數據依據。