基于動水邊界條件下的黏土斜心墻壩坡穩(wěn)定性探究

向宏榮，周 勇，關(guān) 峰

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2．湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司, 湖北 武漢 430034)

壩坡穩(wěn)定分析是確定壩剖面和評價壩體安全的主要依據(jù)，其可靠程度對壩的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要影響[1]。對于水利工程而言，壩坡穩(wěn)定是一個多學(xué)科交叉和多研究手段的復(fù)雜課題，涉及結(jié)構(gòu)工程、材料學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)等多方面相互關(guān)聯(lián)問題[2]。事實上，壩坡穩(wěn)定是一個受自身物質(zhì)條件和外部環(huán)境條件影響的復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)，涉及巖土力學(xué)性質(zhì)、降雨、庫水位的升降變化等多方面因素[3]。目前，探究影響庫岸邊坡穩(wěn)定的因素諸多，然而，探究壩坡穩(wěn)定的影響因素研究則相對偏少。

近年來，不少學(xué)者對水庫邊坡處于有水情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并得到相應(yīng)的研究成果。例如，王歡[4]探究了庫水位變化對壩坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)庫水位變化時會對下游壩坡穩(wěn)定性造成較大影響；辛保泉[5]研究了降雨入滲條件下基質(zhì)吸力對壩坡穩(wěn)定性影響，研究結(jié)果表明，降雨隨著土體含水率的增加，壩坡穩(wěn)定性逐漸降低；此外，喬娟等[6]研究了黏土斜心墻土石壩穩(wěn)定性影響因素，探究壩高和黏土斜心墻高對壩坡穩(wěn)定的影響，論證了壩高對上游壩坡穩(wěn)定的影響相對較大，是影響上游壩坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。以上分別就庫水位變化、基質(zhì)吸力以及靜水條件下影響壩坡穩(wěn)定性的因素展開研究。然而，考慮動水條件下的壩高與壩坡穩(wěn)定性規(guī)律研究相對較少，因此有必要對動水邊界條件下的黏土斜心墻壩壩高對壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律展開研究。

針對上述研究中存在不足，本文以某具體工程實例為研究對象，針對動水邊界條件下的黏土斜心墻三種壩高進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性系數(shù)計算，開展黏土斜心墻壩壩高與壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律探究，為大壩在動水邊界條件下的壩坡穩(wěn)定性提供科學(xué)指導(dǎo)，提高壩坡整體穩(wěn)定性。

1 研究資料

1.1 研究對象

本文依托某黏土斜心墻土石壩展開動水邊界條件下的壩高與壩坡穩(wěn)定性規(guī)律研究。根據(jù)實際工程資料，結(jié)合《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)[7]對該工程進(jìn)行分等、分級，為探究動水邊界條件下的黏土斜心墻壩高與壩坡穩(wěn)定性影響，本文設(shè)計了3種不同的壩高。結(jié)合《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274—2001)[8]，取正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位三種計算工況下的最大計算壩高作為設(shè)計壩高。通過計算分析，校核洪水位工況下的計算壩高值最大，因此，以校核洪水位下的計算壩高作為其壩高的設(shè)計值。3種不同的壩高具體剖面設(shè)計如表1所示，以壩高45.3 m、95.7 m、146.2 m為例。

表1 3種不同壩高的剖面設(shè)計

1.2 計算工況與安全系數(shù)的選取

為探究動水邊界條件下的黏土斜心墻壩高與壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，以校核洪水位的情況為例設(shè)計了3種不同壩高的剖面進(jìn)行研究。由于本工程屬于1級工程，且其所在地的基本地震烈度為Ⅳ級，因而不需要考慮地震作用。結(jié)合實際情況，本工程的壩高與壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律主要考慮穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落[9-10]時，具體考慮工況如下：

穩(wěn)定滲流期校核兩種工況下的上、下游壩坡穩(wěn)定：(1)上游為正常蓄水位或設(shè)計洪水位，下游為相應(yīng)水位，屬正常運(yùn)用條件。(2)上游為校核洪水位，下游為相應(yīng)水位，屬非常運(yùn)用條件。

水庫水位降落期校核兩種工況下的上、下游壩坡穩(wěn)定：(1)上游為正常蓄水或設(shè)計洪水位突然放空時，屬正常運(yùn)用條件。(2)上游為校核洪水位突然放空時，屬非常運(yùn)用條件。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

1.3 材料參數(shù)

壩體不同分區(qū)的材料物理力學(xué)以及基巖強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)主要包括內(nèi)摩擦角、容重、有效黏聚力等，它是由現(xiàn)場大體積密度試驗、大剪試驗及室內(nèi)剪切試驗獲得，具體材料參數(shù)如表3所示。

表3 壩體不同分區(qū)材料參數(shù)

2 壩坡穩(wěn)定性分析計算模型及方法

2.1 計算方法

極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用十分廣泛，對多余變量假定的不同構(gòu)成了不同的極限平衡條分法[11]。目前工程上采用的土坡穩(wěn)定分析的方法，大多數(shù)是建立在極限平衡理論基礎(chǔ)之上的。計算采用Geo-Studio2007分析軟件中的Slope/w模塊進(jìn)行穩(wěn)定場的模擬，三種壩高在滿足穩(wěn)定滲流條件下，進(jìn)行動水邊界條件下的壩坡穩(wěn)定分析，并結(jié)合Slope/w模塊以極限平衡理論中的Morgenstern-Prince(簡稱M-P法)[12-13]分析法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)計算。

2.2 計算假定

經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，可能存在潛在滑移面。根據(jù)邊坡地質(zhì)條件及滑動破壞特征，采用GEO-Slope/w程序的Morgenstern-Price法建立計算模型。Morgenstern-Price法可對任意形狀的滑裂面進(jìn)行分析，故作如下假設(shè)[14]：(1)假定滑裂面為任意形狀，且兩滑動土條的法向條間力和切向條間力之間存在關(guān)于水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。(2)每個土條均與土坡具有相同的穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時，任一土條在滑動面上的抗剪力只發(fā)揮了一部分，并與此時的滑動力相平衡。(3)以滑動土條底部法向力和平行方向力以及土條底部中心點的力矩平衡建立力學(xué)方程。

2.3 壩坡穩(wěn)定性分析計算模型

Geo-Studio[15]是一套專業(yè)、高效且功能強(qiáng)大的適用于巖土工程、水利工程、地質(zhì)工程以及公路工程等相關(guān)領(lǐng)域開發(fā)的仿真分析軟件，它包含Seep/w、Slope/w、Sigma/w、Quake/w等一系列的有限元分析模塊。本文采用Slope/w模塊建立數(shù)值模型來探究動水邊界條件下壩高與壩坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，數(shù)值建模具體步驟：(1)設(shè)置坐標(biāo)軸及比例、輸入坐標(biāo)控制點。(2)建立模型以及網(wǎng)格劃分、輸入材料參數(shù)以及定義本構(gòu)關(guān)系。(3)輸入邊界條件，計算求解。

在進(jìn)行穩(wěn)定分析之前，首先要對壩體剖面不同分區(qū)材料進(jìn)行材料填充，以其中45.3 m的壩高為例進(jìn)行材料填充，定義邊界條件，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定分析模型示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 穩(wěn)定滲流期計算結(jié)果分析

采用極限平衡法分別計算穩(wěn)定滲流期上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計算見圖2、圖3。

圖2 各工況下不同壩高的上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3 各工況下不同壩高的下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

在穩(wěn)定滲流期，三種壩高在三種不同工況下，其最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，說明三種不同壩高剖面設(shè)計滿足穩(wěn)定滲流要求。上、下游壩坡抗滑安全系數(shù)隨著壩高的增加而增大，并且上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于下游。說明安全系數(shù)與壩高有關(guān)，上游壩坡比下游更加穩(wěn)定。

3.2 水庫水位降落期計算結(jié)果分析

通過Slope/w建模計算，計算不同壩高三種工況下1 d、3 d、5 d、7 d水庫放空時，上、下游壩坡最小安全系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見圖4～圖7。

圖4 1 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖5 3 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖6 5 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖7 7 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖4～圖7分別為1 d、3 d、5 d、7 d放空條件下，三種壩坡在各工況下的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)：

(1)當(dāng)壩高為45.3 m，根據(jù)圖4～圖6數(shù)據(jù)可以看出，水庫自水位降落1 d、3 d、5 d放空(持續(xù)30 d)情況下，上、下游壩坡最小安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定值，說明大壩有可能在第1 d、3 d、5 d泄水放空時候失穩(wěn)，這對大壩運(yùn)行管理十分不利；根據(jù)圖7數(shù)據(jù)，水庫在第7 d泄水放空時，上、下游壩坡最小安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定值，因而在第7天泄水放空時候，水庫是安全的。

(2)當(dāng)壩高為95.7 m以及146.2 m，1 d、3 d、5 d、7 d放空，上、下游壩坡最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，說明此時放空天數(shù)對上、下游壩坡失穩(wěn)影響不大，但為了安全以及運(yùn)行管理方便，還是建議7 d放空對大壩進(jìn)行檢修維護(hù)。

(3)當(dāng)水庫處于水位降落期時，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)總是小于下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，上游坡腳穩(wěn)定性不夠，此時發(fā)生滑坡的可能性很大，這是因為上游壩坡的表層在孔隙水壓力及應(yīng)力場作用下，很快達(dá)到飽和，此時壩坡的基質(zhì)吸力減小，基質(zhì)吸力的減小會造成土體抗剪強(qiáng)度的減弱，進(jìn)而影響壩體安全，極其容易形成滑坡[16]。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)極限平衡法，通過Slope/w建模計算三種壩高在不同工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，得出如下結(jié)論：

(1)三種不同高度的壩，在動水邊界條件下黏土斜心墻壩壩坡抗滑系數(shù)隨壩高的增大而增大。

(2)在穩(wěn)定滲流期，上游抗滑系數(shù)大于下游，但是在水位降落期，下游抗滑系數(shù)大于上游。

(3)水庫水位降落期，水庫放空1 d、3 d、5 d，低壩上游壩坡抗滑系數(shù)比下游壩坡抗滑系數(shù)小并且小于規(guī)范規(guī)定值，此時極易失穩(wěn)，存在較大局部滑動的可能性。因此，該壩上游坡在放空期存在更為嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)進(jìn)行加固處理，確保大壩的安全運(yùn)行，應(yīng)加厚坡體，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性，以保證大壩的安全和工程效益的正常發(fā)揮。