梁丹丹，夏冬，劉健

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壩頂通車的壩坡穩(wěn)定性分析

梁丹丹1，夏冬2，劉健3

（1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院，重慶 400074）

以重慶市萬州區(qū)天仙湖堆石壩為研究對象，采用極限平衡法分別考慮了水位組合以及水位驟降等情況下壩頂通車與否對邊坡穩(wěn)定性的影響. 分析結(jié)果表明：在車輛荷載作用下壩坡穩(wěn)定性有所降低；無論通車與否，最危險水位工況均為上游水位、下游水位；水位驟降情況下的壩坡穩(wěn)定性有所降低，考慮水位驟降時的壩頂通車依然滿足壩坡穩(wěn)定性的要求；本項(xiàng)研究中，壩頂通車對壩坡穩(wěn)定性的影響采用了二級公路的標(biāo)準(zhǔn)荷載，當(dāng)壩頂公路等級提高或其他原因使得過車荷載增加時，壩頂通車作用下的壩坡穩(wěn)定性需要重新評估；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壩坡穩(wěn)定性隨水位的降低而減小，所以當(dāng)上下游水位低于當(dāng)前最低水位時，壩坡穩(wěn)定性也需要重新計(jì)算.

壩坡穩(wěn)定性；極限平衡法；安全系數(shù)；水位驟降；車輛荷載

壩坡穩(wěn)定性分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，也是壩坡設(shè)計(jì)及治理的核心內(nèi)容. 壩坡穩(wěn)定性分析方法很多，其中極限平衡法是計(jì)算壩坡穩(wěn)定的主要方法，也是工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛最成熟的方法. 極限平衡法概念清晰，計(jì)算簡便，容易被業(yè)內(nèi)人士理解和掌握，同時能直觀給出壩坡穩(wěn)定的安全系數(shù)值及潛在的滑動面. 鑒于此，本文以位于重慶市萬州區(qū)的天仙湖堆石壩工程為例，采用極限平衡法[1]，并使用河海大學(xué)巖土所編制的SLP程序分析，對壩頂灌漿之后的大壩在“不同水位工況”“庫區(qū)水位驟降”以及“壩頂車輛荷載”等因素作用下的壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究.

1 工程概況

重慶市萬州區(qū)天仙湖攔沙壩是苧溪河流域水土保持生態(tài)環(huán)境綜合治理的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，該工程由右岸混凝土面板堆石壩段、河床埋石混凝土溢流重力壩段和左岸埋石混凝土非溢流重力壩段組成，其中，右岸堆石壩段軸線長，壩頂寬，壩頂高程（黃海高程，以下同），上游壩坡為，下游壩坡從上至下分別為、，在高程設(shè)置寬的馬道. 重力壩段與左岸岸坡連接，溢流壩段設(shè)交通橋與兩岸連接. 隨著萬州區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，該區(qū)交通擁堵日益嚴(yán)重，為緩解萬州城區(qū)的道路交通壓力，相關(guān)部門提出將現(xiàn)有天仙湖攔沙壩作為連接竺溪河兩岸的臨時交通道路使用，同時對壩頂進(jìn)行加寬. 由于天仙湖攔沙壩原設(shè)計(jì)為竺溪河環(huán)境治理的配套項(xiàng)目，未考慮壩頂通車功能，壩頂通車雖對河床及左岸重力壩壩體影響較小，但可能造成面板堆石壩段灌漿加固后形成的心墻防滲體破壞、壩坡失穩(wěn)等問題. 為此，本文將對不同水位工況及水位驟降情況下的壩頂通車對壩坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究.

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)要求以及王俊杰等[2]提出的邊坡簡化計(jì)算方法，將壩體剖面簡化如圖1所示.

圖1 土石壩壩體計(jì)算剖面圖

2 計(jì)算方案、參數(shù)選取及方法

2.1 計(jì)算方案

本文采用極限平衡法（瑞典法與畢肖普法），考慮筑壩材料的強(qiáng)度線性特性[3]情況，計(jì)算分析了有反壓情況下，四種最不利水位組合時（上游設(shè)計(jì)洪水位173.67 m、死水位152.00 m，下游三峽庫區(qū)173.60 m（吳淞高程），水位在萬州城區(qū)為167.30 m，下游低水位143.30 m），加寬后的壩體在壩頂是否通車情況下，上下游壩坡的穩(wěn)定性. 具體計(jì)算方案的劃分如表1所示.

表1 正常水位工況下的極限平衡法計(jì)算方案

水位驟降是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素之一，在上下游有反壓壓重和水位驟降的條件下，計(jì)算方案如表2所示.

表2 水位驟降情況下的極限平衡法計(jì)算方案

2.3 計(jì)算參數(shù)

表3 極限平衡分析法壩體材料物理力學(xué)線性參數(shù)

庫水位對邊坡穩(wěn)定性的影響主要是：水的軟化作用降低了壩體及滑動面的物理、力學(xué)性質(zhì)，上下游水位驟降等因素產(chǎn)生的凍水壓力增大了壩坡失穩(wěn)的可能. 由于水的作用使土體的孔隙水壓力發(fā)生變化，導(dǎo)致浸潤線有所不同，壩體某些結(jié)構(gòu)的參數(shù)發(fā)生變化.

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)對壩坡排水條件不好的均質(zhì)土壩和心墻砂殼壩的分析計(jì)算結(jié)果，可以規(guī)定：時為驟降，此時壩體內(nèi)滲流自由面在庫水位降落后仍保持有總水頭的90％左右，故可近似認(rèn)為壩體浸潤線基本保持原位置不變，這種情況對壩坡的穩(wěn)定最為不利，為偏于安全，可以按照庫水位開始降落前穩(wěn)定滲流的浸潤線位置進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析[4].

相應(yīng)的計(jì)算材料參數(shù)參照上文，對于容重的取值作如下說明：驟降開始前高水位以上的土采用天然容重，驟降結(jié)束后低水位以下的土采用浮容重，兩者之間的土采用飽和容重進(jìn)行計(jì)算.

2.4 計(jì)算方法

分別采用瑞典法和畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，其各計(jì)算方法的公式及各個參數(shù)的含義如下.

2.4.1 壩頂荷載作用下的畢肖普公式

2.4.2 壩頂荷載作用下的瑞典條分法公式

3 計(jì)算結(jié)果及分析

對于不同水位工況下，由極限平衡法計(jì)算方案1至方案8得到的安全系數(shù)示于表4中.

表4 極限平衡分析法計(jì)算的安全系數(shù)

從表4中可見：

a）壩頂無荷載時，不同的水位工況，下游的安全系數(shù)不同，即穩(wěn)定性不同，方案2的安全系數(shù)最小，為1.256，即當(dāng)壩頂不通車的情況下，上游水位為173.67 m，下游水位為143.3 m時，壩體的邊坡穩(wěn)定性最差，不滿足規(guī)范要求[5]. 相應(yīng)畢肖普法計(jì)算的臨界滑弧位置見圖2-a.

b）壩頂有24.7 kN的荷載時，不同的水位工況，下游的安全系數(shù)不同，即穩(wěn)定性不同，方案6的安全系數(shù)最小，為1.212，即當(dāng)壩頂荷載為24.7 kN的情況下，上游水位為173.67 m，下游水位為143.3 m時，壩體的邊坡穩(wěn)定性最差. 相應(yīng)畢肖普法計(jì)算的臨界滑弧位置見圖2-b.

圖2 不同工況的臨界滑弧位置示意圖

c）無論通車與否，最危險水位工況均為：上游水位173.67 m、下游143.3 m.

d）同種水位工況下，壩頂有無荷載對下游邊坡安全系數(shù)影響不同，壩頂有荷載時下游邊坡安全系數(shù)均有所降低，當(dāng)上游水位為173.67 m，下游水位為143.3 m時，降幅最大，為15.764%. 即當(dāng)上述水位工況時，壩頂通車與否對壩體穩(wěn)定性影響最大.

對于水位驟降情況，由極限平衡法計(jì)算方案9至方案12得到的安全系數(shù)示于表5中.

表5 水位驟降計(jì)算安全系數(shù)

由表中可以得出：

1）無論通車與否，最危險的水位驟降組合為下游水位從173.6 m降到143.3 m，上游水位為173.67 m，此時，上下游的安全系數(shù)都較低，壩坡穩(wěn)定性較差. 建議下游水庫不宜放空，并且應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)、合理的水庫調(diào)控方案. 見圖3-a、b

圖3 水位驟降臨界滑弧位置示意圖

2）同種水位驟降工況下，壩頂加荷載后的安全系數(shù)較加荷載前的安全系數(shù)均有所降低，當(dāng)水位驟降組合為:下游173.60～143.30 m，上游為173.67 m時，下游壩坡的安全系數(shù)降幅最大，為1.863%. 上游173.67～152.00 m，下游為143.30 m時，上游壩坡的安全系數(shù)降幅最大，為10.224%.

3）所得安全系數(shù)結(jié)果表明，在水位驟降各工況下大壩壩坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求[5].

4 結(jié)語

本項(xiàng)研究利用極限平衡法對天仙攔河壩壩體加寬后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算與分析. 在計(jì)算中，利用極限平衡法對不同水位組合、有無壩頂車輛荷載等多種工況條件下的壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，具體結(jié)論與建議如下：

1）在車輛荷載作用下壩坡穩(wěn)定性有所降低.

2）無論通車與否，最危險的上、下游水位組合是上游水位173.67 m，下游143.3 m.

3）同種水位工況下，壩頂有無荷載對下游邊坡安全系數(shù)影響不同，壩頂有荷載時下游邊坡安全系數(shù)均有所降低，當(dāng)上游水位為（173.67 m），下游水位為（143.3 m）時，降幅最大，為（15.764%）.

4）同種水位驟降工況下，壩頂加荷載后的安全系數(shù)較加荷載前的安全系數(shù)均有所降低，當(dāng)水位驟降組合為:下游173.60～143.30 m，上游為173.67 m時，下游壩坡的安全系數(shù)降幅最大，為1.947%. 上游173.67～152.00 m，下游為143.30 m時，上游壩坡的安全系數(shù)降幅最大，為2.367%.

5）本項(xiàng)研究中，壩頂通車對壩坡穩(wěn)定性的影響采用了二級公路的標(biāo)準(zhǔn)荷載[6]，當(dāng)壩頂公路等級提高或其他原因使得過車荷載增加時，壩頂通車作用下的壩坡穩(wěn)定性需要重新評估；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壩坡穩(wěn)定性隨水位的降低而減小，所以當(dāng)上下游水位低于當(dāng)前最低水位時，壩坡穩(wěn)定性也需要重新計(jì)算.

[1]BISHOP A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slop [J]. Geotechnique, 1955, 5(1): 7-17.

[2] 王俊杰，陳錦璐. 階梯型均質(zhì)邊土坡的穩(wěn)定性分析[J]. 水電能源科學(xué)，2011, 29(1): 73-75.

[3] 盧廷浩. 土力學(xué)[M]. 2版. 南京：河海大學(xué)出版社，2008.

[4] 秦茂潔. 水位驟降情況下的壩坡穩(wěn)定分析研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2012: 47-52.

[5] 中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院，武漢大學(xué). 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T5395—2007 [S]. 北京：中國電力出版社，2008.

[6] 程旨輝，許春波. 公路工程荷載標(biāo)準(zhǔn)解析[J]. 黑龍江水利科技，2011, 39(5): 111-112.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

A Stability Analysis of Slopes of Dams Used for Traffic

LIANGDan-dan1, XIADong2, LIUJian3

(1. Hehai School, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. School of Hydrology & Water Resource, Hehai University, Nanjing 210098, China;3. Chongqing Survey and Design Institute for Water Resources, Electric Power andArchitecture,Chongqing 400074, China)

This study takes the Tianxian Lake rockfill dam in Wanzhou District, Chongqing, as the research object, and explores by adopting the limit equilibrium method whether using dam crests for traffic will affect the slope stability in conditions of changing water levels and rapid drawdown of water levels. The results show that the stability of dam slopes decreases under vehicle loads; whether or not open to traffic, the most dangerous water conditions are: 173.67 m at upstream and 143.3 m at downstream; the stability of the dam slope decreases to some extent at rapid drawdown but can still meet the requirements of traffic. In this study, the standard load of Class II Highway is adopted for studying the impact of dam crest traffic on the stability of dam slope; when the dam crest road grade is improved or when the vehicle load is increased for other reasons, the stability of dam slope needs to be reevaluated. According to the calculation results, the stability of the dam slope decreases with the water level decrease, and therefore, when the upstream and downstream water level is lower than the current minimum water level, the stability of the dam slope also needs to be recalculated.

dam slope stability; the limit equilibrium method; safety factors; rapid drawdown of water levels; vehicle load

1006-7302（2015）03-0045-06

TV641.4+1

A

2015-01-19

梁丹丹（1990—），女，吉林松原人，在讀碩士生，主要從事巖土工程及水利工程方面的研究.