水利工程土石圍堰穩(wěn)定性計(jì)算

藺宏巖

（綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院 黑龍江綏化 152000）

一、工程介紹

工程位于西南某江河流段，大壩為重力壩，裝機(jī)容量475MW。大壩基礎(chǔ)高程2018m，壩頂高程2110m，正常蓄水位2080m，最大壩高92m，

壩頂長(zhǎng)500m，采用壩后式地面廠房。該水電站采用的是左岸引水隧洞導(dǎo)流。隧洞口圍堰采用土工膜斜墻土石圍堰，圍堰堰頂高程2800m，最大堰高7.9m，最大擋水水頭約為6.2m，堰基采用封閉式砼防滲墻，防滲墻最大深度18m，厚0.8m。引水隧洞設(shè)于庫(kù)區(qū)左岸，為有壓隧洞后接豎井及有壓隧洞，全長(zhǎng)約14.5km，隧洞進(jìn)口底板高程2096m，開(kāi)挖斷面為馬蹄形，出口底板高程1971m，比降2‰，引水流量120m3/s，隧洞口采用土石圍堰制造干法施工環(huán)境。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度和計(jì)劃安排，臨時(shí)土石圍堰設(shè)計(jì)位置剛好處于距隧洞口10m 處，典型二維斷面如圖所示。圍堰底部寬38.2m，頂部通行寬7m，南側(cè)邊坡最大斜率為1：1.5，圍堰南側(cè)聯(lián)通河流，最高水位和最高低水位分別是6.2m 和4.8m，如圖1-1所示。

圖1-1 土石圍堰剖面圖

二、影響土石圍堰安全的因素

（一）滲流。圍堰通常以臨時(shí)建筑的形式出現(xiàn)在工程中，通常在隧洞施工導(dǎo)流期間給主體工程阻擋洪水而創(chuàng)造所需要的干燥的施工環(huán)境[1]。并且由于土石圍堰具有歷史悠久、能充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，地基適應(yīng)性強(qiáng)，造價(jià)低，施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今世界大多數(shù)國(guó)家臨時(shí)圍堰的首選。然而土石圍堰失事的案例中很多是由于滲透破壞而引發(fā)的，目前世界各國(guó)均將土石圍堰的滲流問(wèn)題視為影響其安全的關(guān)鍵因素。

（二）滑坡?；率峭潦瘒呤碌牧硪粋€(gè)主要原因。滑坡是土石圍堰的常見(jiàn)破壞現(xiàn)象之一，常常會(huì)給工程帶來(lái)?yè)p失。我國(guó)流關(guān)嶺土石圍堰建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的事故就是由于滑坡而導(dǎo)致的[2]。而水位的升降往往是引起滑坡的主要原因且大部分滑坡都發(fā)生于工程竣工的初期。比如，美國(guó)費(fèi)琴河上的羅密爾水庫(kù)建成蓄水后不到一年就發(fā)生了兩起滑坡事故,其中一起發(fā)生在蓄水后半年內(nèi)且也是發(fā)生在水位驟降的情況下。

（三）沖刷。圍堰遭受沖刷在很大程度上與其平面布置有關(guān)，尤其在分段圍堰法導(dǎo)流時(shí)，水流進(jìn)入圍堰區(qū)受到束窄，流出圍堰區(qū)又突然擴(kuò)大，這樣就不可避免的在河底引起動(dòng)水壓力的重新分布，流態(tài)發(fā)生急劇改變，此時(shí)圍堰的上下游轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生很大的局部壓力差，局部流速顯著增高，形成螺旋狀的底層渦流速度方向自下而上，從而淘刷堰腳及基礎(chǔ)。

（四）軟基及深厚覆蓋層。影響圍堰安全的另一個(gè)重要因素是軟基及深厚覆蓋層。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外建于軟基及深厚覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于建設(shè)條件復(fù)雜使得工程工期延遲而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因?yàn)樯詈窀采w層其成因類型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)和級(jí)配變化大、力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)較大的不均勻性等原因會(huì)給圍堰建設(shè)帶來(lái)非常大的難度。

三、土石圍堰穩(wěn)定性計(jì)算

（一）研究方法。

1.滲流理論。工程能否滿足安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的要求，在很大程度上取決于能否正確的對(duì)工程進(jìn)行正確的滲流分析和恰當(dāng)?shù)倪x擇合理的滲流控制措施[3]。因此用一種假想水流來(lái)代替在巖石空隙運(yùn)動(dòng)的真實(shí)水流，這種假想水流具有通過(guò)任一斷面流量與真實(shí)水流相等和在某一斷面水頭和壓力和真實(shí)水流一樣的性質(zhì)。這就是滲流基本理論[4-5]。

基于飽和非飽和土體滲流的達(dá)西定律，表述如下：q=Ki

式中：q—單位體積的流量，m3/s；K—滲透系數(shù)；i—總水頭梯度。

達(dá)西定律既適用于飽和土體滲流也可以應(yīng)用于非飽和土滲流。唯一的區(qū)別是滲透系數(shù)在非飽和條件下的不再是常數(shù)，土體的含水量隨著滲透系數(shù)變化而變化，并且水壓力也間接地隨著變化而變化。

達(dá)西定律經(jīng)常被寫(xiě)成如下的形式：V=Ki

式中：V—達(dá)西流速，m/s。

實(shí)際情況下，水穿過(guò)土層的平均流速時(shí)線速度，它等于達(dá)西流速除以土的孔隙率。在非飽和土中，它等于達(dá)西流速除以單位體積的含水量。

2.有限元強(qiáng)度折減法原理。Midas/GTS的邊坡穩(wěn)定分析采用了基于有限單元法的強(qiáng)度折減法。有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是將邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角值）均除以折減率，得到一組新的Cmin、φ1，即經(jīng)過(guò)折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：

式中：F—邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定安全系數(shù)；C—為滑面黏聚力；φ—滑面內(nèi)摩擦角。

計(jì)算Cmin值后輸出參數(shù)并進(jìn)行下一步的試算，直到不收斂結(jié)束。將沒(méi)有收斂的階段視為破壞，并把未收斂階段的最大強(qiáng)度折減率作為最小的安全邊坡系數(shù)。當(dāng)達(dá)到最小邊坡系數(shù)時(shí)坡體也達(dá)到了極限狀態(tài)而發(fā)生剪切破壞，同時(shí)坡體的破壞滑動(dòng)面也得到。

使用Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)在非現(xiàn)場(chǎng)的情況下對(duì)真實(shí)的實(shí)際工礦做到最大限度的模擬并可以直接得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)連續(xù)的的折減強(qiáng)度參數(shù)可以從數(shù)值上來(lái)分析坡體內(nèi)塑性區(qū)域的發(fā)展情況。邊坡的滑動(dòng)面的形成、發(fā)育和破壞的過(guò)程可以從有限元計(jì)算結(jié)果中反映得到，從而獲得邊坡的最終破壞模式，同時(shí)得到邊坡相應(yīng)強(qiáng)度儲(chǔ)備的安全系數(shù)。

（二）結(jié)果與分析。

1.滲流穩(wěn)定分析。采用Midas/GTS建立有限元模型，對(duì)邊坡進(jìn)行滲流及穩(wěn)定性計(jì)算，如表1所示。

表1 地層巖土參數(shù)取值

滲透系數(shù)取值參數(shù)選取如下：

（1）圍堰南側(cè)一層0.6m厚的不透水層，滲透系數(shù)取1.0×10e-5m/s；

（2）圍堰滲透系數(shù)參照相關(guān)資料和施工經(jīng)驗(yàn)定為1.0×10e-5m/s；

（3）基巖滲透系數(shù)取3.0×10e-5m/s。

荷載的計(jì)算包括：圍堰自身自重荷載+堰身通行時(shí)過(guò)往車輛的自卸車荷載+空隙水壓力。自卸車載荷：考慮自卸車滿載時(shí)自重55t 最大載荷情況。自卸車后軸距1.4m，輪距1.9m?？紤]土體對(duì)荷載的擴(kuò)散性，填料的擴(kuò)散角為39°，擴(kuò)散深度按照2.0m計(jì)算得到受力面積為：

A=（2×2.0tan39o+1.4)×(2×2.0tan39o+1.9)=23.8m2

堰上不均布荷載計(jì)算值為：q=55×9.8/23.8=22.6kPa

荷載系數(shù)取1.6，則荷載設(shè)計(jì)值為：

Q=22.6×1×1.6=36.2kN/m

作用范圍為：

L=2×2.0tan39o+1.9=5.12m

圍堰南側(cè)放水北側(cè)無(wú)水，該工況只驗(yàn)算圍堰北側(cè)的邊坡穩(wěn)定性，荷載為圍堰的自重荷載+自卸車荷載圍堰+兩側(cè)水頭差引起的滲流孔隙水壓力。圍堰邊坡的南側(cè)和北側(cè)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖3-1所示。

圖3-1 滲流穩(wěn)定分析效果圖

結(jié)果表明圍堰南側(cè)有水，北側(cè)無(wú)水。在南側(cè)水頭壓力下形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，并由滲流分析得北側(cè)坡腳處滲透流量為12.4m3/d·m。將滲流計(jì)算出來(lái)的孔隙水應(yīng)力場(chǎng)讀入邊坡穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，得到圍堰北側(cè)北側(cè)的邊坡安全系數(shù)最小值為1.16。

2.邊坡穩(wěn)定性分析。該邊坡為人工回填料邊坡，坡高取20m，粘聚力取20kPa，內(nèi)摩擦角取39°，泊松比取0.2，彈性模量取3000kPa，滲透系數(shù)取0.001m/d。工況一： 在右側(cè)邊界施加6.2m的水頭荷載；工況二：在右側(cè)邊界施加4.8m的水頭荷載。通過(guò)計(jì)算得到最小水頭荷載、最大水頭荷載時(shí)的安全系數(shù)和滑動(dòng)面位置，如圖3-2所示。

圖3-2（a）最小水頭荷載時(shí)安全系數(shù)和滑動(dòng)位置

圖3-2(b) 最大水頭荷載時(shí)安全系數(shù)和滑動(dòng)位置

分析可知最小水頭荷載的邊坡安全系數(shù)為1.29，邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)。最大水頭荷載時(shí)的邊坡安全系數(shù)為1.16，安全系數(shù)有所減小，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但對(duì)某些安全系數(shù)要求較高臨時(shí)工程也需對(duì)邊坡進(jìn)行加固。基于Midas/GTS軟件的計(jì)算和分析：該土石圍堰在該滲流狀況下是基本穩(wěn)定的，發(fā)送滲流破壞可能性較小。因?yàn)橛煞治鰣D示數(shù)據(jù)可知臨時(shí)圍堰設(shè)計(jì)斷面在不少于90%密實(shí)度分層碾壓施工工藝的控制下，邊坡的最小安全系數(shù)為1.16，可以滿足規(guī)范安全性要求。

四、結(jié)論

基于Midas/GTS軟件分析計(jì)算結(jié)果得出：1.該工程圍堰北側(cè)坡腳在水壓力作用下，最大滲透流量為12.4m3/d·m，滲水量較小，臨時(shí)圍堰設(shè)計(jì)斷面在不少于90%密實(shí)度分層碾壓施工工藝的控制下，邊坡最小安全系數(shù)為1.16，可以滿足規(guī)范安全性要求。2.為避免滲流對(duì)圍堰坡腳造成影響，可在南側(cè)距離圍堰坡腳4m以外的位置開(kāi)挖0.8m深的排水溝。由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，圍堰的潛在失穩(wěn)區(qū)位于圍堰南側(cè)的淺中層圍堰體內(nèi)，破壞模式為弧面型滑移，沿圍堰南側(cè)滑出。