基于Autobank的深厚覆蓋層上面板堆石壩抗滑穩定性分析

楊振亞,王正新,高劍峰,周明明

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司,南京 210000;2.河海大學 水利水電學院,南京 210098;3.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 揚州 225127)

1 概 述

相較于混凝土壩,土石壩具備結構簡單、可就地取材且對地質條件適應性強等優點,因而在國內水電行業得到廣泛應用。由于壩址區地質條件的限制,越來越多的土石壩修建于深厚覆蓋層地基上。因此,研究深厚覆蓋層上土石壩的抗滑穩定意義重大。

王鵬泉等[1]研究了庫水驟降速率對深厚砂卵礫石覆蓋層上瀝青心墻壩的抗滑穩定性影響。鄒德高等[2]對深厚覆蓋層上的高土石壩在強震作用下的穩定性進行了深入研究。張園園等[3]針對深厚覆蓋層厚度對土石壩壩坡穩定性的影響開展了相關研究。費康等[4]基于三維土石壩有限元模型,研究了深厚覆蓋層對土石壩抗滑穩定性的影響。蘇星等[5]以蘇布雷水電站為例,研究了深厚覆蓋層上土石壩壩基滲透變形規律及防滲處理措施。

為了更加深入了解深厚覆蓋層上的土石壩抗滑穩定性,本文以國內南方某擬建面板堆石壩為例,基于Autobank軟件,通過簡化畢肖普法,求解最危險圓弧滑面及相應安全系數,對1#壩和2#壩在多種工況下的穩定性進行分析。

2 計算理論與方法

2.1 滲流計算原理

對于穩定滲流,符合達西定律的非均各向異性二維滲流場,水頭勢函數滿足微分方程[6]:

(1)

式中:φ=φ(x,y)為待求水頭勢函數;x,y為平面坐標;Kx、Ky為X軸、Y軸方向的滲透系數。

水頭φ還必須滿足一定的邊界條件,經常出現以下幾種邊界條件:

1)在上游邊界上水頭已知。

φ=φn

(2)

2)在逸出邊界水頭和位置高程相等。

φ=z

(3)

3)在某邊界上滲流量q已知。

(4)

式中:lx、ly為邊界表面向外法線在X、Y 方向的余弦。

將滲流場用有限元離散,假定單元滲流場的水頭函數勢φ為多項式,由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式,可導出線性方程組:

[H]{φ}={F}

(5)

式中:[H]為滲透矩陣;{φ}為滲流場水頭;{F}為節點滲流量。

2.2 穩定計算原理

采用簡化畢肖普法,進行壩坡穩定安全系數計算[7]:

(6)

式中:Wi為第i滑動條塊自重;Qi、Vi分別為作用在第i滑動條塊上的外力在水平向和垂直向分力;ui為第i滑動條塊底面的孔隙壓力;αi為第i滑動條塊底滑面的傾角;bi為第i滑動條塊寬度;c′、φ′為第i滑動條塊底面的有效凝聚力和內摩擦角;MQi為第i滑動條塊水平向外力Qi對圓心的力矩;R為圓弧半徑;K為安全系數。

3 工程案例

3.1 工程概況

國內某擬建水電站裝機容量為1 200MW,工程等別為一等大(Ⅰ)型。上水庫正常蓄水位和死水位分別為490、464m。上水庫庫區存在多個天然埡口,為了形成封閉庫區,在每個埡口布置面板堆石壩進行擋水,選取其中最具代表性的兩個壩(以下稱1#壩和2#壩)進行抗滑穩定性分析。1#壩和2#壩的典型剖面見圖1、圖2。

圖1 1#壩計算典型剖面

圖2 2#壩計算典型剖面

由圖1、圖2可知,壩頂寬度8m,上游壩坡1:1.4,1#壩下游側筑壩料采用庫內開挖的全強風化料,材料參數較低,故1#壩下游壩坡放緩為1:2.5;2#壩下游側由于地形條件限制,若采用全強風化料,壩坡較緩,坡腳順地形放出去距離過遠,故2#壩下游側筑壩料采用庫內開挖的弱風化料,2#壩下游壩坡為1:1.8。每20m高差設一寬3m馬道,大壩大部分建基于全風化層中上部,壩基堆石區下面考慮厚2m排水層及厚1m反濾層,壩頂高程493m,校核洪水位和設計洪水位分別為490.69、490.52m。大壩壩型為面板堆石壩,采取趾板下布置防滲墻、墻下帷幕灌漿的方式,形成封閉的防滲體系。

大壩材料的物理力學特性參數見表1。

表1 大壩材料物理力學參數表

根據《碾壓式土石壩設計規范》(NB/T 10872-2021)[8],大壩的滲流穩定計算分析一般有正常運行工況、非常運行工況Ⅰ和非常運行工況Ⅱ,3種具體工況的詳細說明如下:

①正常運行工況:考慮壩后無水,壩前水位分別是正常蓄水位(490m)、設計洪水位(490.52m)以及正常蓄水位驟降至死水位(490m→464m)時的壩坡穩定。

②非常運行工況Ⅰ:考慮壩后無水,壩前水位分別為校核洪水位(490.69m)和施工期時(壩前無水)時的壩坡穩定。

③非常運行工況Ⅱ:考慮壩后無水,壩前水位是正常蓄水位(490m)同時發生設計地震(水平向地震波峰值加速度為0.175g)時的壩坡穩定。

3.2 1#壩壩坡穩定性研究

從表2可以看出,在正常運行條件和非常運用條件Ⅰ、Ⅱ工況時,大壩上游側和下游側壩坡均滿足穩定性要求。其中,在施工期時,大壩的上游側壩坡安全系數最小,為1.69,高于規范允許值1.30,為上游側壩坡的控制工況。正常蓄水位+設計地震(0.175g)工況下大壩下游側壩坡安全系數最小,為1.25,稍大于規范允許值1.20,下游側壩坡安全裕度較低。建議在施工時對上壩料進行嚴格控制,防止過多不合格料上壩而導致下游側壩坡抗滑穩定性不滿足規范要求。

表2 1#壩壩體穩定計算成果匯總表

圖3為1#壩在各種工況下對應的劃弧位置及抗滑安全系數。從圖3可以看出,上游側劃弧主要是在混凝土面板附近產生,劃弧深度較淺;下游側劃弧主要產生在下游堆石Ⅱ區(全強風化料填筑區),劃弧深度較大,主要還是由于下游側壩料參數較低導致。

圖3 1#壩滲流穩定計算成果

3.3 2#壩壩坡穩定性研究

從表3可以看出,在正常運行條件和非常運用條件Ⅰ、Ⅱ工況時,大壩上游側和下游側壩坡均滿足穩定性要求。其中,在施工期時大壩的上游側壩坡安全系數最小,為1.67,高于規范允許值1.30,為上游側壩坡的控制工況。正常蓄水位+設計地震(0.175g)工況下大壩下游側壩坡安全系數最小,為1.41,高于規范允許值1.20,為下游側壩坡的控制工況。

表3 壩體加固后穩定計算成果匯總表

圖4為2#壩在各種工況下對應的劃弧位置及抗滑安全系數。從圖4可以看出,上游側劃弧主要是在混凝土面板附近產生,劃弧深度較淺;下游側劃弧主要產生在下游堆石I區(弱風化填筑區),因筑壩料參數較高,劃弧深度較淺。

圖4 2#壩滲流穩定計算成果

4 結 論

本文以國內某擬建面板堆石壩為例,基于Autobank軟件,通過簡化畢肖普法,求解最危險圓弧滑面及相應安全系數,并對1#壩和2#壩在多種工況下的穩定性進行了分析。結論如下:

1)1#壩和2#壩在正常運行工況、施工期、水位驟降以及地震工況下的抗滑穩定性,均滿足規范要求,但下游側壩坡安全裕度較低。建議在施工時,對上壩料進行嚴格控制,防止過多不合格料上壩而導致下游側壩坡抗滑穩定性不滿足規范要求。

2)1#壩和2#壩上游側劃弧主要產生于混凝土面板附近,劃弧深度均較淺。下游側劃弧與填筑料參數關系密切,若采用全強風化料,劃弧深度較深;若采用弱風化料,劃弧深度較淺。

3)Autobank軟件可較好模擬土石壩在滲流作用下的穩定問題,其內部有內置的鄧肯-張模型,可以克服主流大型軟件需二次開發的障礙,并可直接導入AutoCAD,為計算土石壩滲流穩定提供了便利,可提高設計人員的工作效率。