基于飽和—非飽和土理論的加固土石壩穩(wěn)定性對(duì)比分析

劉治華

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

壩坡屬于特殊的邊坡，是按規(guī)范設(shè)計(jì)并填筑起來的人工邊坡，其分析方法與邊坡的分析方法相同[1]。對(duì)邊坡穩(wěn)定的分析方法可分為定性分析與定量分析。定性分析主要是利用地質(zhì)勘察資料，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的各類影響因素、變形及失穩(wěn)破壞方式進(jìn)行分析，得出一個(gè)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)的定性說明[2]。定性分析的特點(diǎn)是能綜合考慮邊坡穩(wěn)定的各類影響因素，從而快速地評(píng)判邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)[3]。目前在工程實(shí)踐中，經(jīng)常使用的定量分析法主要有極限平衡法、有限元法、滑移線法和極限分析法等確定性分析法，以及以概率為基礎(chǔ)的非確定性分析法，其中極限平衡法和有限元法最為常用[4]。

1 工程概況

1.1 工程概況

某水庫樞紐由大壩、輸水洞、輸水明渠等建筑物組成，大壩為均質(zhì)土壩，壩高33.8 m，壩頂高程1227.8 m，壩頂長72.0 m，壩頂寬16.5 m，壩基寬209.0 m，壩基高程1195.0 m，大壩迎水坡坡比1∶3，背水坡坡比自上而下為1∶1.6、1∶1.2、1∶2.1。壩體內(nèi)無防滲設(shè)施，壩后未建反濾排水體。

1.2 穩(wěn)定分析條件

本次滲流穩(wěn)定結(jié)合某水庫的實(shí)際情況，泄水建筑物(輸水管)的最大泄水能力僅為1.2 m3/s，壩前無水位驟降現(xiàn)象。按工況形成穩(wěn)定滲流進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，如表1所示[5]。

表1 穩(wěn)定滲流計(jì)算 m

指標(biāo)壩體填筑土的飽和滲透系數(shù)采用《大壩土工試驗(yàn)報(bào)告》建議值，如表2和表3所示。

表2 滲透試驗(yàn)指標(biāo)值 cm·s-1

表3 材料物理力學(xué)指標(biāo)

2 穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)果

2.1 僅考慮飽和土理論STAB穩(wěn)定分析

采用簡化Bishop法進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。僅考慮飽和土理論STAB穩(wěn)定分析現(xiàn)狀壩體下游剖面穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見表4所示[6]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，下游壩坡在各種工況下穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定值。因此，對(duì)下游壩坡應(yīng)進(jìn)行培厚加固處理，為了降低浸潤線，防止大壩出逸點(diǎn)處發(fā)生凍脹破壞，在壩下游增設(shè)褥墊排水。對(duì)大壩采用上游鋪設(shè)土工膜、下游壩坡進(jìn)行培厚加固，加固后的大壩壩坡進(jìn)行穩(wěn)定分析， 經(jīng)過加固處理，大壩壩坡在各種工況下滿足穩(wěn)定要求，達(dá)到了除險(xiǎn)加固的目的，為除害興利創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。

表4 僅考慮飽和土理論STAB穩(wěn)定分析加固后大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.2 僅考慮飽和土理論GeoStudio建模分析

僅考慮飽和土理論GeoStudio建模分析現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定分析計(jì)算，對(duì)培厚加固后的大壩壩坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，其結(jié)果見表5所示。

表5 僅考慮飽和土理論GeoStudio建模分析大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.3 僅考慮飽和土理論Midas/GTS有限元法

經(jīng)過建模分析，僅考慮飽和土理論Midas/GTS有限元法現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定分析計(jì)算，對(duì)培厚加固后的大壩壩坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，其結(jié)果見表6所示。

表6 僅考慮飽和土理論Midas/GTS有限元法大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表6可知，無論僅考慮飽和土計(jì)算還是考慮飽和-非飽和土計(jì)算，現(xiàn)狀大壩在各種工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范值，存在滑坡危險(xiǎn)。經(jīng)過除險(xiǎn)加固工程措施處理后，大壩在各種工況下均能滿足要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

2.4 穩(wěn)定分析結(jié)果對(duì)比

現(xiàn)對(duì)僅飽和土與考慮飽和-非飽和土這兩種理論時(shí)，傳統(tǒng)方法與有限元法所得的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果匯總對(duì)比，具體見圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)方法所得加固后大壩滑裂面

由圖1可知，兩款軟件對(duì)大壩穩(wěn)定計(jì)算都是基于極限平衡法中的簡化Bishop法，所不同的是是否考慮了非飽和土對(duì)計(jì)算結(jié)果的貢獻(xiàn)。在同一種理論下(僅考慮飽和土工況下)，兩款軟件的計(jì)算結(jié)果相近，滑裂面位置近乎重合，這不僅是因?yàn)轱柡?非飽和滲流分析所得大壩浸潤線較低，而且由于受基質(zhì)吸力的影響，非飽和區(qū)土體的強(qiáng)度參數(shù)增大，導(dǎo)致壩體的抗滑力在一定程度上增大，所以安全系數(shù)增大。

3 兩種不同理論下計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)于本工程計(jì)算的三種工況(正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位)，現(xiàn)將僅考慮飽和滲流和考慮飽和-非飽和滲流這兩種不同理論下，傳統(tǒng)方法與有限元法計(jì)算的安全系數(shù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

由圖2(a)、圖2(b)可知方法差異對(duì)安全系數(shù)的影響較小?，F(xiàn)狀大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)洪水位工況下三款軟件計(jì)算的差別最大，最大值與最小值的差值為0.0151，占該工況所得平均安全系數(shù)(0.798)的1.89%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0075，占該工況所得平均安全系數(shù)(0.780)的0.96%。加固后大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)洪水位工況下差別最大，為0.0190，占該工況所得平均安全系數(shù)(1.282)的1.48%；在正常蓄水位工況下差別最小，為0.0117，占該工況所得平均安全系數(shù)(1.306)的0.90%。除險(xiǎn)加固前后的這四個(gè)特殊安全系數(shù)所得比例的平均值為1.26%。由此可見，同為飽和滲流理論時(shí)，三款軟件計(jì)算結(jié)果非常相近，說明軟件的精度和采用的方法對(duì)安全系數(shù)的影響不是很大，這是因?yàn)橛邢拊獜?qiáng)度折減法與極限平衡法的本質(zhì)是相同的。

由圖2(c)、圖2(d)可知非飽和土對(duì)大壩的影響?，F(xiàn)狀大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.037，占該工況所得平均安全系數(shù)(0.854)的4.34%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0210，占該工況所得平均安全系數(shù)(0.791)的2.66%。加固后大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.0530，占該工況所得平均安全系數(shù)(1.334)的3.97%；在設(shè)計(jì)洪水位工況下差別最小，為0.0210，占該工況所得平均安全系數(shù)(1.286)的0.82%。除險(xiǎn)加固前后的這四個(gè)特殊安全系數(shù)所得比例的平均值為2.95%。由此可知，僅考慮飽和土和考慮飽和-非飽和土理論的不同造成所得大壩安全系數(shù)相差較大，說明非飽和土對(duì)于安全系數(shù)的影響較大，這是因?yàn)樵摪踩禂?shù)考慮了非飽和土中基質(zhì)吸力對(duì)其的正面貢獻(xiàn)，使得分析結(jié)果相差較大，也說明了計(jì)算結(jié)果更為精確。

由圖2(e)、圖2(f)進(jìn)一步可知非飽和土對(duì)大壩的影響?，F(xiàn)狀大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.025，占該工況所得平均安全系數(shù)(0.850)的2.94%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0128，占該工況所得平均安全系數(shù)(0.788)的1.62%。加固后大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在正常蓄水位工況下差別最大，為0.0258，占該工況所得平均安全系數(shù)(1.325)的1.95%；在設(shè)計(jì)洪水位工況下差別最大，為0.0014，占該工況所得平均安全系數(shù)(1.290)的1.10%。除險(xiǎn)加固前后的這四個(gè)特殊安全系數(shù)所得比例的平均值為1.90%。

圖2 不同狀況下的大壩安全系數(shù)值

由此可知，由于分析理論的不同，大壩安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果相差也較大，進(jìn)一步證明了非飽和土對(duì)于安全系數(shù)的影響較大。

由圖2(g)、圖2(h)可知非飽和土強(qiáng)度參數(shù)對(duì)大壩安全系數(shù)的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)狀大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在設(shè)計(jì)洪水位工況下兩款軟件所計(jì)算的差別大，大值與小值的差為0.0111，占該工況所得平均安全系數(shù)值(0.828)的1.34%；在校核洪水位工況下差別最小，為0.0069，占該工況所得平均安全系數(shù)值(0.798)的0.86%。加固后大壩穩(wěn)定安全系數(shù)，在校核洪水位工況下差別最大，為0.0246，占該工況所得平均安全系數(shù)值(1.289)的1.91%；在設(shè)計(jì)洪水位工況下差別最大，為0.0166，占該工況所得平均安全系數(shù)值(1.289)的1.28%。除險(xiǎn)加固前后的這四個(gè)特殊安全系數(shù)所得比例的平均值為1.47%。由此可見，由于GeoStudio軟件對(duì)飽和-非飽和土理論考慮的較為全面，而Midas軟件中有限元強(qiáng)度折減法較難考慮非飽和土強(qiáng)度參數(shù)，故所得大壩安全系數(shù)值有一些差距。

4 結(jié) 論

本文采用了僅考慮飽和土與考慮飽和-非飽和土這兩種理論計(jì)算并對(duì)比分析了工程實(shí)例在三種工況(正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位)下的穩(wěn)定的結(jié)果，得出了飽和-非飽和土分析病險(xiǎn)土壩更精確及其他結(jié)論，具體如下：

(1)考慮非飽和土強(qiáng)度參數(shù)對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響，理論上更加符合實(shí)際情況。由滲流及穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可以看出，無論是大壩的浸潤線位置、滲透比降、滲流量，還是壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)，其規(guī)律均反映了考慮飽和-非飽和土理論的先進(jìn)性。

(2)有限元強(qiáng)度折減法本質(zhì)上與極限平衡法相同，但其具有更多優(yōu)勢(shì)。引入強(qiáng)度折減法使得大壩滲流和穩(wěn)定分析統(tǒng)一采用有限元法，不但簡化了計(jì)算過程，而且能夠計(jì)算土體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，對(duì)研究人員探究病險(xiǎn)機(jī)理，總結(jié)應(yīng)力與變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新問題提供數(shù)據(jù)依據(jù)。