基于AutoBank分析高土石圍堰邊坡穩(wěn)定影響因素

郝中州 蘇茂榮 陳志軍

(1.河南黃河河務(wù)局，河南 鄭州 450002；2.河南華北水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450045)

1 引 言

在水利水電工程施工過(guò)程中，圍堰是為保證主體工程施工而修建的臨時(shí)性建筑物[1]。圍堰的安全穩(wěn)定，不僅關(guān)系到整個(gè)施工導(dǎo)流工程和主體工程的安全和施工進(jìn)度，甚至影響到下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。對(duì)于平原地區(qū)大江大河上的水利水電工程，施工圍堰多修建在常年沖刷淤積的灘地或河床上，在深厚軟弱地基上填筑圍堰所面臨的技術(shù)難度要比常規(guī)土石圍堰大得多[3]，圍堰的填筑條件和運(yùn)行條件更為復(fù)雜：圍堰的填筑多為在原始地基上直接水下拋填，無(wú)法提前進(jìn)行地基處理，承載力較差，且水下拋填體密實(shí)度差，后期容易產(chǎn)生較大的沉降變形[4]；圍堰運(yùn)行時(shí)，要面臨施工期工況、基坑開(kāi)挖工況、汛期洪水工況等復(fù)雜的外部環(huán)境，運(yùn)行條件更為復(fù)雜[5]。對(duì)于軟弱基礎(chǔ)上的高土石圍堰，面臨著地基條件差、填筑材料就近取材難、填筑質(zhì)量低等問(wèn)題，堰體參數(shù)、圍堰高度、邊坡坡比、圍堰基礎(chǔ)、防滲體等諸多因素都會(huì)影響高土石圍堰的安全穩(wěn)定[6]。采用AutoBank軟件，能夠很好地模擬土石壩或者土石圍堰的滲流穩(wěn)定[7]和邊坡穩(wěn)定[8]情況。本文結(jié)合碾盤(pán)山水利樞紐工程，基于AutoBank有限元軟件，分析高土石圍堰邊坡穩(wěn)定影響因素，并在碾盤(pán)山施工圍堰穩(wěn)定計(jì)算中進(jìn)行應(yīng)用。

2 AutoBank簡(jiǎn)介

AutoBank有限元計(jì)算軟件是河海大學(xué)開(kāi)發(fā)的，針對(duì)土石壩、堤防、圍堰等建筑物進(jìn)行滲流和邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析的軟件。該軟件遵照現(xiàn)行《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)[9]和《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)[10]有關(guān)穩(wěn)定安全計(jì)算的若干規(guī)定，用有限元方法進(jìn)行土石壩、面板堆石壩、堤防、一般土質(zhì)邊坡、尾礦壩的穩(wěn)定計(jì)算，能夠考慮圓弧、非圓弧、軟弱夾層滑動(dòng)面、上部荷載、非線性砂性土質(zhì)等復(fù)雜情況。該軟件可通過(guò)導(dǎo)入地層及建筑物文件建立有限元模型，基于滲流計(jì)算模塊和邊坡穩(wěn)定模塊，實(shí)現(xiàn)滲流、變形、應(yīng)力、穩(wěn)定計(jì)算一體化[11]。

3 土石圍堰邊坡穩(wěn)定影響分析

本文基于AutoBank軟件，建立土石圍堰有限元模型，導(dǎo)入地層地質(zhì)及力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行滲流和邊坡穩(wěn)定計(jì)算，通過(guò)控制單個(gè)變量，逐步分析高土石圍堰邊坡穩(wěn)定的影響因素。

3.1 堰體參數(shù)

對(duì)于土石圍堰，堰體填筑材料的物理力學(xué)參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)是影響圍堰邊坡穩(wěn)定的首要因素。對(duì)于砂性土，由于缺少黏粒，黏聚力較小，而對(duì)于黏性土，則黏聚力較大。為了研究黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)圍堰穩(wěn)定的影響，采用控制變量法，分別模擬不同力學(xué)參數(shù)下的圍堰穩(wěn)定情況。

基于AutoBank軟件建立土石圍堰模型，圍堰高度為10m，堰前水位為96.0m，對(duì)應(yīng)的水頭為6m，通過(guò)修改堰體填筑材料的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。堰體填筑材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其中材料1代表粉細(xì)砂，材料2代表黏性土，材料3代表粗砂。三種材料邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

表1 堰體材料物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于粉細(xì)砂圍堰，黏聚力c為0，在滲流作用下，邊坡極易失穩(wěn)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為0.65；對(duì)于黏性土圍堰，黏聚力c為10kPa，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)增大至1.85[見(jiàn)圖1(b)1.85274]，可以看出黏聚力c對(duì)圍堰穩(wěn)定具有極大的影響；對(duì)于粗砂圍堰，黏聚力c為0，內(nèi)摩擦角φ增大至35°時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)比粉細(xì)砂圍堰有一定的提升，由0.65增大至0.81。

圖1 不同堰體參數(shù)下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上分析可以看出，堰體填筑材料的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)圍堰的滲流穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定有較大影響。一般情況下，黏性土圍堰的穩(wěn)定性要優(yōu)于砂性土(粉細(xì)砂或粗砂)圍堰，而內(nèi)摩擦角較大的粗砂要優(yōu)于粉細(xì)砂。

3.2 邊坡坡比

對(duì)于松散的無(wú)黏性土，當(dāng)其自然堆積時(shí)能夠形成的自然坡角，就是天然休止角。天然休止角一般略小于滑坡開(kāi)始滑動(dòng)的滑動(dòng)角，而且比同一物質(zhì)的內(nèi)摩擦角小5°～10°。當(dāng)采用砂性土填筑圍堰時(shí)，圍堰的邊坡坡比對(duì)圍堰的穩(wěn)定有較大影響。采用控制變量的方法，保持堰體材料不變，采用AutoBank軟件分別建立邊坡坡比為1 ∶2、1 ∶2.5、1 ∶3的圍堰模型，研究邊坡坡比對(duì)圍堰穩(wěn)定的影響情況，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同邊坡坡比下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)邊坡坡比逐漸增大時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大，其中臨水側(cè)安全系數(shù)分別為1.09、1.34、1.59，背水側(cè)出溢點(diǎn)附近邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為0.53、0.67、0.83?？梢钥闯?，邊坡坡比對(duì)圍堰穩(wěn)定有較大影響，適當(dāng)增大邊坡坡比可以提高圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，但是對(duì)應(yīng)的圍堰填筑工程量也會(huì)增大。

3.3 圍堰高度

當(dāng)圍堰的高度超過(guò)10m時(shí)，一般認(rèn)為屬于高大圍堰。圍堰越高，邊坡的危險(xiǎn)性越大，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的危害也越大。圍堰超過(guò)一定高度時(shí)，就需要做二級(jí)馬道，以提高圍堰的安全性。為了研究圍堰高度對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響，采用控制變量法，建立兩個(gè)模型，圍堰高度分別為10m和5m，其中10m高圍堰堰前水頭控制為6m，5m高圍堰堰前水頭控制為3m，采用AutoBank軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同圍堰高度下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)圍堰高度從5m增大到10m時(shí)，臨水側(cè)安全系數(shù)有輕微降低，背水側(cè)出溢點(diǎn)附近安全系數(shù)有較大降低，從0.91降低至0.67?？梢钥闯?，圍堰高度對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響較大，當(dāng)圍堰超過(guò)一定規(guī)模時(shí)，要特別注意安全穩(wěn)定問(wèn)題。

3.4 圍堰基礎(chǔ)

圍堰的安全不僅與堰體本身的穩(wěn)定有關(guān)，也與圍堰基礎(chǔ)的穩(wěn)定有很大關(guān)系。當(dāng)堰體基礎(chǔ)條件較差時(shí)，圍堰就容易出現(xiàn)深層滑動(dòng)，引發(fā)堰體的滑坡。為研究軟弱基礎(chǔ)的圍堰穩(wěn)定問(wèn)題，采用控制變量法，建立4個(gè)模型，分別模擬10m高圍堰在淤泥質(zhì)土基礎(chǔ)、粉細(xì)砂基礎(chǔ)、黏土基礎(chǔ)以及巖石基礎(chǔ)條件下的穩(wěn)定情況，相關(guān)材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。采用AutoBank軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖4 不同基礎(chǔ)下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，在圍堰填筑材料、邊坡坡比、高度等條件保持一致的情況下，圍堰基礎(chǔ)對(duì)邊坡的穩(wěn)定有較大影響：淤泥質(zhì)土基礎(chǔ)條件最差，承載能力最低，圍堰邊坡容易出現(xiàn)深層滑動(dòng)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最低；粉細(xì)砂基礎(chǔ)的黏聚力為0.1(應(yīng)與表2一致)，但是內(nèi)摩擦角較大，承載能力相對(duì)較高，邊坡滑動(dòng)同樣為穿過(guò)粉細(xì)砂基礎(chǔ)的深層滑動(dòng)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.23；黏土基礎(chǔ)的黏聚力較大，承載能力有較大增強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.42；巖石基礎(chǔ)的強(qiáng)度高，承載能力遠(yuǎn)大于圍堰材料，邊坡滑動(dòng)面在堰體內(nèi)部，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取決于堰體材料，穩(wěn)定安全系數(shù)也最高，達(dá)到1.60?？梢钥闯?，圍堰的基礎(chǔ)條件對(duì)邊坡穩(wěn)定有較大影響，軟弱基礎(chǔ)條件下的圍堰最容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)破壞。

3.5 防滲體

土石圍堰要承擔(dān)擋水任務(wù)，圍堰堰體及堰體基礎(chǔ)的滲透特性對(duì)于圍堰的安全至關(guān)重要。由于圍堰多采用當(dāng)?shù)夭牧咸钪?，堰體的防滲體也有多種：均質(zhì)、黏土心墻、混凝土墻等。對(duì)于圍堰基礎(chǔ)條件不好的情況，比如滲透性較大的粉細(xì)砂基礎(chǔ)、砂礫石基礎(chǔ)等情況，就必須要采用有效的防滲體，以降低圍堰的滲透性，保證圍堰的安全穩(wěn)定。為了研究防滲體對(duì)圍堰的安全穩(wěn)定影響，同樣采用控制變量法進(jìn)行研究，建立圍堰模型，圍堰基礎(chǔ)為滲透性較強(qiáng)的粉細(xì)砂基礎(chǔ)，基坑開(kāi)挖至粉細(xì)砂基礎(chǔ)，防滲體分別采用均質(zhì)、黏土心墻、混凝土墻等。采用AutoBank軟件進(jìn)行滲流穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同防滲體下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，圍堰基礎(chǔ)條件對(duì)于圍堰的滲流穩(wěn)定非常重要。對(duì)于粉細(xì)砂基礎(chǔ)，均質(zhì)防滲體和黏土心墻防滲體無(wú)法與底部不透水層基巖相接，無(wú)法形成封閉的防滲體，當(dāng)基坑開(kāi)挖較深時(shí)，背水側(cè)在滲流作用下就會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的情況，同時(shí)圍堰的單寬滲流量較大，且主要從基礎(chǔ)進(jìn)行滲流，圍堰最危險(xiǎn)的區(qū)域在溢出點(diǎn)周?chē)２捎梅罎B墻防滲體(黏土心墻或混凝土墻)時(shí)，其與底部不透水層形成封閉防滲體，可以極大地降低堰體的浸潤(rùn)線，降低單寬滲流量，從而提高圍堰的穩(wěn)定安全系數(shù)。當(dāng)采用混凝土墻防滲體時(shí)，圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)從0.64提高至1.14。對(duì)于基礎(chǔ)滲透性較大的圍堰，采用防滲措施對(duì)圍堰的邊坡穩(wěn)定至關(guān)重要。

3.6 排水措施

圍堰填筑后，由于巖體本身的滲透性，會(huì)在堰體內(nèi)部形成一條浸潤(rùn)線，浸潤(rùn)線以下為飽和狀態(tài)。為保證圍堰的穩(wěn)定，常用的工程技術(shù)手段是改變圍堰浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)位置的排水條件。工程中常用的手段包括貼坡排水、褥墊排水、棱體排水等。為研究排水措施對(duì)浸潤(rùn)線以及堰體穩(wěn)定的影響，同樣采用控制變量法建立圍堰模型，其中溢出點(diǎn)位置分別為無(wú)排水體、貼坡排水和棱體排水，排水體采用透水性較強(qiáng)的卵礫石材料。采用AutoBank軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同排水體下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，排水體可以改善溢出點(diǎn)的滲透特性，其中貼坡排水和無(wú)排水體的浸潤(rùn)線比較接近，而棱體排水可以顯著降低浸潤(rùn)線的位置。貼坡排水措施對(duì)溢出點(diǎn)滲水進(jìn)行反濾后，能夠提高堰體坡腳的滲透穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)管涌和流土等滲透破壞。貼坡排水和棱體排水均能改善圍堰坡腳的滲流狀況，提高圍堰邊坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù)從1.35分別提高至1.40和1.42。

4 工程案例

碾盤(pán)山水利樞紐工程位于漢江中游河段的鐘祥市境內(nèi)，水庫(kù)正常蓄水位50.72m，總庫(kù)容9.02億m3，電站總裝機(jī)18萬(wàn)kW，年發(fā)電量6.16億kW·h。該工程采用圍堰一次攔斷河床、左岸開(kāi)挖導(dǎo)流明渠過(guò)流的方式進(jìn)行施工導(dǎo)流。其中，上游圍堰長(zhǎng)808m，堰頂高程51.85m，堰頂寬10m，臨水側(cè)坡比為1 ∶3.0，背水側(cè)坡比為1 ∶2.5，圍堰設(shè)二級(jí)馬道。根據(jù)施工期工程地質(zhì)揭露情況，基礎(chǔ)地層由上至下依次為砂壤土、粉細(xì)砂、砂礫石和砂巖?；A(chǔ)透水性較強(qiáng)，采用塑性混凝土防滲墻接復(fù)合土工膜防滲，背水側(cè)坡腳為截流戧堤固腳。

根據(jù)地質(zhì)資料和圍堰結(jié)構(gòu)，采用AutoBank軟件建立有限元模型，分別進(jìn)行滲流和邊坡穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，臨水側(cè)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.63，背水側(cè)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20，均大于規(guī)范要求，圍堰的設(shè)計(jì)較為合理。

圖7 碾盤(pán)山樞紐上游圍堰邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

本文基于有限元軟件AutoBank對(duì)影響圍堰邊坡穩(wěn)定的因素進(jìn)行了研究，模擬不同的堰體參數(shù)、邊坡坡比、圍堰高度、圍堰基礎(chǔ)、防滲體以及排水措施等條件下圍堰的邊坡穩(wěn)定情況。經(jīng)過(guò)分析，得出以下結(jié)論：

a.圍堰填筑料的物理力學(xué)參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ是影響圍堰邊坡穩(wěn)定的首要因素，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ越大，圍堰的穩(wěn)定性越好。在采用當(dāng)?shù)夭牧咸钪邥r(shí)，優(yōu)先采用黏性土，其次采用內(nèi)摩擦角大的礫石土，最不利的材料是有一定滲透性的砂性土。

b.圍堰邊坡坡比、高度是影響圍堰穩(wěn)定的重要因素，降低邊坡坡比和圍堰高度均可以提高圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；當(dāng)圍堰超過(guò)一定高度時(shí)，要設(shè)分級(jí)馬道，同時(shí)降低邊坡坡比。

c.圍堰的基礎(chǔ)條件也會(huì)影響邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)：淤泥質(zhì)土基礎(chǔ)的承載能力差，粉細(xì)砂基礎(chǔ)容易出現(xiàn)深層滑動(dòng)，不同的基礎(chǔ)條件要采用不同的處理措施。

d.防滲體可以改善圍堰的滲透特性，對(duì)于透水性基礎(chǔ)，采用混凝土墻防滲體可以降低浸潤(rùn)線，減小滲流量，提高圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

e.圍堰背水側(cè)的排水體可以改善出逸點(diǎn)的滲流特性，棱體排水可以降低浸潤(rùn)線位置，提高邊坡穩(wěn)定性，貼坡排水可以起到反濾作用。