下游坡墻組合結構小型土石壩穩定性分析

楊梅桂

(封開縣廣信堤圍養護中心，廣東 肇慶 526500)

1 概 述

水壩下游的坡墻結構穩定性直接關系到水壩的健康運行，而目前的穩定性評價方法均存在一定的局限性。近年來，因水庫邊坡失穩事故造成極大的經濟損失，水庫加固治理已成為亟待解決的問題[1]。

目前，有些國內外學者采用極限平衡法，對水壩坡體穩定性進行了分析[2-4]。沈寶根等[5]采用Bishop法分析典型斜坡式坡岸的穩定性影響因素，探究了浸潤面和坡頂荷載與穩定系數的關系。秦鵬飛[6]基于Morgenstern-Price法，并采用條分法對水壩坡墻結構進行了數值模擬，分析極限平衡法在工程中對剛體結構的折減作用。喬翔[7]結合失穩工程實例，建立經典模型，探究了支護方式和支護位置對開挖邊坡穩定性的影響，并提出了合理的支護方案。

本文基于Morgenstern-Price法，采用有限元建模，分析大沖水庫坡墻結構穩定性的影響因素，對壩體坡比和擋墻高度與壩高之比進行獨立分析，探究對組合結構穩定性影響的主要因素，研究結果可供水庫下游結構穩定性安全評價參考與借鑒。

2 工程概況

大沖水庫位于廣東省肇慶市封開縣蓮都鎮境內，屬于賀江流域，位于貫河(賀江支流)上游的東山河上，是一宗以灌溉為主，結合防洪、發電、養殖的綜合利用中型水庫。該工程集雨面積27.28 km2，多年平均徑流深 920.0 mm，多年平均徑流量 2 575×104m3。壩址以上干流河長 7.55 km，河流平均坡降為 0.008 7。大沖水庫樞紐主要由水庫大壩、溢洪道、輸水涵管、壩后電站組成，大壩簡化后斷面圖見圖1。

對大壩進行加固前，地質勘測結果見表1。

圖1 大壩簡化后斷面圖

表1 土體物理力學性能建議參數

3 坡墻整體計算

在工程中，一般將擋土墻與壩體看作一個整體進行受力分析，本文采用極限平衡法對組合結構進行穩定性分析。首先采用條分法將結構進行垂直條分，根據條塊間的相互作用關系求解邊坡的穩定性問題。常用的分析模型有Morgenstern-Price、Bishop、Spencer、Janbu等。為了便于計算，本文選用有限元軟件對壩體結構進行穩定性建模研究。根據壩體自身的地質條件，按照壩體的最大截面進行建模并劃分網格，模型見圖2。

根據水庫的設計標準和實際情況，將表1的大壩地質參數輸入至圖2的模型中，利用軟件的計算模塊，在正常水位條件下，對壩體進行滲流分析。然后選用上述4種模型，采用極限平衡法求解壩體的安全系數K的最小值，計算結果見表2。坡墻整體計算后的圓弧滑動面見圖3。

圖2 大壩幾何模型

表2 不同極限平衡法的坡墻整體計算下游壩坡安全系數的計算結果

圖3 坡墻整體計算后的圓弧滑動面

由表2數據可知，將擋土墻與壩體看作一個整體進行受力分析，采用極限平衡法對組合結構進行穩定性分析并不可取。擋墻的主要材料為石塊，剛性較大，而壩體的材料為填土，剛性小，由于兩部分的剛性差距較大，將兩部分視為整體進行穩定計算并不合理，計算結果也難以準確表征擋墻的抗剪強度指標。

4 分析方法

4.1 穩定性計算

在進行穩定性計算之前，將擋土墻穩定設計作為結構整體穩定的前提，計算擋土墻頂部及以上的壩體的穩定性，并假設發生滑坡口出現在擋土墻頂。選擇不同的壩體滑坡口位置，建立模型時選擇不同的邊界條件進行邊坡的穩定性計算。蓄水位正常時，壩體的穩定性系數計算按照規范進行，具體計算結果見表3。

根據Morgenstern-Price法計算得到，壩體竣工期的安全系數為1.425，運行期的安全系數為1.306，均滿足規范要求，計算結果見圖4。

表3 不同極限平衡法的坡墻獨立計算下游壩坡安全系數的計算結果

圖4 坡墻獨立計算后的圓弧滑動面

4.2 擋墻穩定計算

根據不同的穩定條件，判斷下游壩體的失穩狀態。假定最不利條件下壩體發生滑坡時的土體位置，將應力場和滲流場耦合聯立，可在軟件中計算出壩體基礎擋土墻的水平方向應力分布情況；然后根據計算得到的內應力分布情況，推導壩內土體作用于擋土墻的水平推力作用點和力值的大小。根據計算結果，可以推導出擋土墻的抗傾覆穩定系數Ko和抗滑穩定系數Kc，結果見表4。

表4 擋墻抗滑和抗傾覆穩定安全系數

根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2013)[8]中擋土墻的應用級別和要求，土質邊坡的擋土墻的抗傾覆和抗滑穩定系數的要求分別不低于1.6和不低于1.3。由表4可知，壩體的邊坡擋土墻設計符合抗傾覆的安全標準，但不符合抗滑移的安全標準。由此可見，該水壩的邊坡擋土墻面積過小，不足以抵擋邊坡發生滑坡時的側向水平推動力，需要增大擋土墻底部的面積即擋土墻的厚度，來提高其抗滑移穩定性。

分析表4數據可知，結構的整體穩定依賴于邊坡自身和擋土墻的穩定性。而整體結構穩定性的主要影響因素是壩體放坡坡比和擋土墻的高度，為了更加清晰地了解上述兩個因素對整體結構穩定性的影響，本文針對不同的壩體坡比和擋墻高度進行組合，探究壩體坡比和擋墻高度對整體結構穩定性的影響規律。

5 組合結構穩定性影響因素分析

將壩體坡比和擋墻高度與壩高之比進行獨立分析，探究對組合結構的穩定性影響。為了便于研究和試驗現象的描述，本文在滿足結構整體穩定性的前提下，采用降低投資和工程加固度的方式設置壩體高度為固定值20 m，設置壩體坡比分別為2.75、2.5、2，采用Morgenstern-Price法探究不同的擋墻高與壩高比對結構整體穩定性的影響，設計并計算擋墻高h與壩高H之比分別為0.5、0.45、0.4、0.35、0.3以及0.25的坡體安全系數。在計算之前，需要一些限定條件，將擋土墻穩定設計作為結構整體穩定的前提，計算擋土墻頂部及以上的壩體穩定性，并假設發生滑坡口出現在擋土墻頂。選擇不同的壩體滑坡口位置，建立模型時，選擇不同的邊界條件進行邊坡的穩定性計算。將應力場和滲流場耦合聯立，可在軟件中計算出壩體基礎擋土墻的水平方向應力分布情況，然后根據計算得到的內應力分布情況，推導壩內土體作用于擋土墻的水平推力作用點和力值的大小。根據計算結果，可以推導出擋土墻的抗傾覆穩定系數Ko和抗滑穩定系數Kc，結果見表5。

表5 不同坡比、墻高對應的安全系數

表5為18種不同工況組合情況下的下游壩體穩定性系數變化情況。根據規范要求，表5對每一種工況的擋土墻抗傾穩定系數和和覆抗滑穩定系數進行了評價。由表5可知，在18種組合工況中，有5種組合的擋土墻抗傾穩定系數和覆抗滑穩定系數以及整體穩定性系數符合規范要求。通過比較擬合計算的結果可知，組合結構的整體穩定性主要受擋墻高度與壩高之比和壩體坡比這兩個因素的影響。但組合結構的穩定安全系數不符合規范要求時，單個調整壩體坡比或擋墻高度與壩高之比，均不能在考慮經濟的前提下使整體結構的穩定性滿足要求。因此，在設計組合結構時，要充分考慮壩體坡比和擋墻高度與壩高之比這兩個因素產生的綜合作用。圖5為兩個主要因素對下游壩體安全系數的影響規律。

圖5 安全系數與n關系曲線

從圖5可以看出，壩體坡比為2、擋墻高度與壩高之比為0.25 時，下游壩坡穩定性不符合要求。壩體坡比為2，擋墻高度與壩高之比為0.3～0.5；壩體坡比為2.5，擋墻高度與壩高之比為0.35～0.5；壩體坡比為2.75，擋墻高度與壩高之比為0.4～0.5時，擋墻抗滑穩定性不符合要求。壩體坡比為2.5，擋墻高度與壩高之比為0.25、0.3；壩體坡比為2.75，擋墻高度與壩高之比為0.25、0.3、0.35時，安全系數與穩定系數均符合要求。在符合要求的前提下，下游壩坡坡比為2.5或2.75時，壩體安全系數變化曲線與擋墻抗滑穩定變化曲線與擋墻高度與壩高之比為0.3～0.33處相交，曲線的交點被視為壩體坡比設計和擋墻高度與壩高之比設計的最優加固方案。

6 結 論

1) 擋墻的主要材料為石塊，剛性較大，而壩體的材料為填土，剛性小。由于兩部分的剛性差距較大，將兩部分視為整體進行穩定計算時并不合理性，計算結果也難以準確表征擋墻的抗剪強度指標。

2) 獨立分析壩體坡比和擋墻高度與壩高之比，可以更好地探究影響組合結構穩定性的因素。

3) 在符合要求的前提下，壩體安全系數變化曲線與擋墻抗滑穩定變化曲線的交點，可被視為壩體坡比設計和擋墻高度與壩高之比設計的最優加固方案。