考慮滲流作用的斜心墻土石壩壩坡穩(wěn)定分析研究

吳坤偉

（海南省紅嶺灌區(qū)管理中心,海南 海口 202150）

1 引言

斜心墻土石壩為我國常見的土石壩壩型,在我國大中型土石壩工程中廣泛采用。相比直心墻土石壩與瀝青混凝土心墻壩,斜心墻土石壩的優(yōu)點(diǎn)突出。直心墻土石壩的心墻為與壩體中部,不方便后期維修養(yǎng)護(hù)；瀝青混凝土心墻造價(jià)較高,且心墻瀝青混凝土骨料和瀝青之間的粘結(jié)性能在滲透水作用下容易發(fā)生脫落。斜心墻土石壩的心墻結(jié)構(gòu)位于土石壩壩體上游,便于后期維修養(yǎng)護(hù),且位于上游的心墻可以較好地阻擋上游水庫滲透水流進(jìn)入。為評價(jià)土石壩的上下游壩坡的穩(wěn)定性,相關(guān)學(xué)者開展了大量的研究。王力[1]等通過綜合考慮滲流作用和長期蠕變作用下土石壩的滑坡變形分析,深入分析了土石壩的壩坡穩(wěn)定；賈善坡[2]等通過考慮滲流作用-應(yīng)力變形交互作用的土石壩裂縫擴(kuò)展模型,分析了壩體裂縫的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。盛建龍[3]等通過考慮滲流作用及應(yīng)力變形作用下基坑的邊坡穩(wěn)定,得到了深基坑邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的演變規(guī)律；劉圣堯[4]等通過分析考慮滲流作用下土石壩的壩坡穩(wěn)定,得到了滲流作用對上下游壩坡的影響機(jī)理。然而,傳統(tǒng)土石壩滲流、穩(wěn)定計(jì)算過程中,一般主要針對直心墻壩、瀝青混凝土心墻壩的計(jì)算分析較多,然而對考慮滲流作用下斜心墻土石壩的壩坡穩(wěn)定分析研究較少。因此,本文以某斜心墻黏土心墻壩為研究對象,開展了考慮滲流作用的壩坡穩(wěn)定分析,基于上下游壩坡的安全系數(shù)來評價(jià)斜心墻土石壩的安全性態(tài)。

2 工程概況

某水庫總面積42 萬m2。總庫容526 萬m3,控制流域面積43 km2。建有1 座主壩、l 座溢洪道、1 個(gè)輸水管（包括進(jìn)水塔1 座）和1 座發(fā)電站。主壩高37 m,壩頂長164 m,年供水300 萬m3。土石壩的主壩體材料為砂礫石,防滲結(jié)構(gòu)為黏土斜心墻,上游壩坡的坡比設(shè)計(jì)為1∶3,下游壩坡的坡比設(shè)計(jì)為1∶2.55。黏土斜心墻的尺寸為頂部寬度最小,隨著頂部到底部墻面尺寸逐漸增大,心墻底部寬度最大,最大值與最小值分別1.5 m 與4.5 m。其中,黏土心墻上部的坡比為1∶3,靠近下側(cè)的坡比為1∶2.5。

3 計(jì)算分析方法

3.1 計(jì)算原理

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）,壩體邊坡穩(wěn)定分析采用簡化畢肖普法。運(yùn)用此方法進(jìn)行壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí),采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

工程上采用的土坡穩(wěn)定分析方法,主要是建立在剛體極限平衡理論基礎(chǔ)之上的。假設(shè)達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí),土體將沿某一滑裂面產(chǎn)生剪切破壞而失穩(wěn)。滑裂面上的各個(gè)點(diǎn)均處于極限平衡狀態(tài),滿足摩爾-庫倫強(qiáng)度條件。簡化畢肖普法,假定滑動(dòng)面為圓弧滑動(dòng)面,近似考慮了土條間的相互作用力,通過建立力與力矩極限平衡方程,獲得穩(wěn)定安全系數(shù)值。本文中壩坡穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡及水庫水位降落期的上游壩坡運(yùn)用簡化畢肖普法計(jì)算圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)。

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)大壩現(xiàn)狀最大橫斷面簡圖建立有限元模型,模型范圍為：大壩向上游與下游各取40 m,建基面以下取40 m。采用四邊形單元為主、輔以三角形單元來進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分,共包括5321 個(gè)單元,5409 個(gè)節(jié)點(diǎn),得到的有限元網(wǎng)格見圖1。

圖1 大壩穩(wěn)定計(jì)算有限元網(wǎng)格劃分圖

3.3 計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)

壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算是在防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核和滲流安全評價(jià)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）,并結(jié)合某水庫工程的實(shí)際情況,確定的計(jì)算工況為：

（1）正常蓄水位290.30 m,下游對應(yīng)水位248.00 m 的上下游壩坡；

（2）設(shè)計(jì)洪水位288.80 m,下游對應(yīng)水位248.00 m 的上下游壩坡；

（3）校核洪水位291.60 m,下游對應(yīng)水位248.00 m 的上下游壩坡；

（4）水位驟降工況Ⅰ：上游水位按水位降落速度0.5 m/d由正常蓄水位290.30 m 驟降至死水位265.00 m,相應(yīng)下游水位248.00 m 的上游壩坡；

（5）水位驟降工況Ⅱ：上游水位按水位降落速度1.0 m/d由正常蓄水位290.30 m 驟降至死水位265.00 m,相應(yīng)下游水位248.00 m 的上游壩坡。

某水庫斜心墻土石壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見表1。其中,壩殼砂礫料、防滲心墻、防滲斜墻、反濾層和壩基砂礫石覆蓋層材料按照《某水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》選取,其余材料參數(shù)參照類似工程選取。

表1 大壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

4 計(jì)算結(jié)果分析

某水庫斜心墻土石壩最大橫斷面上下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表2 以及圖2～圖6。由表2 可知,現(xiàn)狀最大橫斷面上游壩坡在正常運(yùn)用情況下的安全系數(shù)為2.115,在設(shè)計(jì)洪水位工況下的安全系數(shù)為2.103；在校核洪水位工況下的安全系數(shù)為2.084,大于最小安全系數(shù)1.15,均滿足規(guī)范要求。因此,上游壩坡在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖2～圖4 可知,考慮滲流作用下黏土心墻土石壩的滲流性態(tài)與混凝土面板堆石壩浸潤線位置相似。可以看出,浸潤線首先沿著心墻的上表面隨著心墻迅速下降,到達(dá)心墻底部以后,平行于壩基面緩慢下降。上游壩坡的最危險(xiǎn)滑弧位置基本覆蓋上游壩坡,靠近壩頂?shù)纳匣瑒?dòng)點(diǎn)位于壩頂向下3 m～5 m左右,且下部滑動(dòng)點(diǎn)位于上游壩基向上2 m～3 m左右,滿足常規(guī)土石壩最危險(xiǎn)滑弧出現(xiàn)的一般規(guī)律。

圖2 現(xiàn)狀最大橫斷面正常蓄水位上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧位置示意圖

圖3 現(xiàn)狀最大橫斷面設(shè)計(jì)洪水位上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧位置示意圖

圖4 現(xiàn)狀最大橫斷面校核洪水位上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧位置示意圖

現(xiàn)狀最大橫斷面下游壩坡在正常運(yùn)用情況下的安全系數(shù)為1.821,在設(shè)計(jì)洪水位工況下的安全系數(shù)為1.793,均大于最小安全系數(shù)1.25；在校核洪水位工況下的安全系數(shù)為1.774,大于最小安全系數(shù)1.15,均滿足規(guī)范要求。因此,下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

由表2 可知,現(xiàn)狀最大橫斷面上游壩坡在在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度0.5 m/d）為2.054,在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度1.0 m/d）為1.956,均大于最小安全系數(shù)1.25,均滿足規(guī)范要求。因此,上游壩坡在水庫驟降工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)圖5～圖6 可知,在水位驟降工況下,考慮滲流作用后黏土心墻土石壩的滲流浸潤線位置明顯出現(xiàn)降低的趨勢。可以看出,浸潤線首先穿過心墻迅速下降,到達(dá)心墻底部以后,仍然平行于壩基面緩慢下降,最終進(jìn)入到排水棱體內(nèi)部。在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度0.5 m/d）工況下,在上游壩破的最危險(xiǎn)滑弧位置基本覆蓋上游壩坡,靠近壩頂?shù)纳匣瑒?dòng)點(diǎn)位于壩頂向下1 m～2 m 左右,且下部滑動(dòng)點(diǎn)位于上游壩基向上3 m～5 m 左右。但是,在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度1.0 m/d）工況下,可以看出最危險(xiǎn)滑弧的范圍出現(xiàn)了明顯的增大。

圖5 現(xiàn)狀最大橫斷面水位驟降工況Ⅰ上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧位置示意圖

圖6 現(xiàn)狀最大橫斷面水位驟降工況Ⅱ上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧位置示意圖

通過計(jì)算可知,現(xiàn)狀最大橫斷面下游壩坡在正常運(yùn)用情況下的安全系數(shù)為1.821,在設(shè)計(jì)洪水位工況下的安全系數(shù)為1.793,均大于最小安全系數(shù)1.25；在校核洪水位工況下的安全系數(shù)為1.774,大于最小安全系數(shù)1.15,均滿足規(guī)范要求。因此,下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

（1）通過分析不同水位變化工況下上游壩坡、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),結(jié)果表明：考慮土石壩滲流作用下,隨著上下游水頭差的增大,上游壩坡的安全系數(shù)始終大于下游壩坡的,且安全系數(shù)逐漸減小。

（2）通過分析不同水位驟降工況下的上游壩坡、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及滑弧位置,結(jié)果表明：在水位變化工況下,隨著水位降落速度的增加,上游壩坡安全系數(shù)逐漸減小,但是仍大于規(guī)范允許值。然而,上下游水位差對于上游壩坡的滑動(dòng)面位置沒有明顯影響。

（3）本文研究結(jié)果可知,在考慮壩體滲流作用下,斜心墻土石壩在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和水位驟降等計(jì)算工況下的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）的要求。