姚 莉 李冰妮 白興鋒

(西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000)

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西藏某水庫工程土石壩穩(wěn)定性分析

姚 莉 李冰妮 白興鋒

(西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000)

以西藏某水庫工程碾壓式瀝青混凝土心墻壩為研究對象，利用STAB軟件，分析了該工程土石壩穩(wěn)定性與壩體材料參數(shù)的敏感性，結(jié)果表明，庫水位驟降情況下壩坡穩(wěn)定系數(shù)較低，其他工況基本滿足規(guī)范要求；在對壩體材料力學(xué)參數(shù)進(jìn)行90%折減后，壩坡穩(wěn)定系數(shù)相應(yīng)降低，有多重工況基本不滿足規(guī)范要求，建議進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)壩坡坡角，并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

巖土工程，水庫，壩坡，穩(wěn)定性

西藏某水庫位于西藏山南地區(qū)乃東縣索珠鄉(xiāng)境內(nèi)雅魯藏布江左岸一級支流旺曲上游丁拉溝，壩址處地理坐標(biāo)為東經(jīng)91°52′36″，北緯29°30′25″，距山南地區(qū)澤當(dāng)鎮(zhèn)41.0 km，距拉薩市186 km。攔河壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程4 179.35 m，防浪墻頂高程4 180.55 m，壩頂寬8 m，最大壩高67.6 m，壩頂長度365.0 m。滲控措施由瀝青混凝土心墻、防滲墻及灌漿帷幕組成。土石壩作為一種堆石材料壩，大量專家學(xué)者進(jìn)行了穩(wěn)定性方法及穩(wěn)定性研究[1-4]。張明等針對在水利工程中土石壩邊坡穩(wěn)定分析和設(shè)計(jì)相對落后的現(xiàn)狀，以概率統(tǒng)計(jì)和結(jié)構(gòu)可靠度理論為基礎(chǔ)，對土石壩邊坡穩(wěn)定可靠度分析和設(shè)計(jì)問題，包括土石壩抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角的統(tǒng)計(jì)方法和統(tǒng)計(jì)特性，土石壩邊坡穩(wěn)定可靠度分析方法，設(shè)計(jì)表達(dá)式中標(biāo)準(zhǔn)值和分項(xiàng)系數(shù)的取值問題等，進(jìn)行了分析研究[5]。李南生等人將非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論應(yīng)用于土石壩邊坡穩(wěn)定分析中，考慮壩體各應(yīng)力分量包括中間主應(yīng)力對土質(zhì)材料強(qiáng)度的影響，以區(qū)別于傳統(tǒng)土石壩穩(wěn)定分析中僅考慮剪切和拉伸極限強(qiáng)度的極限平衡法。提出了一個(gè)土石壩邊坡穩(wěn)定優(yōu)化分析模型，并采用最優(yōu)化遺傳算法對土石壩邊坡進(jìn)行斷裂面優(yōu)化搜索[6]。孫麗麗等人應(yīng)用有效應(yīng)力原理，以初始應(yīng)力方式將滲流場導(dǎo)入到位移應(yīng)力分析中，基于強(qiáng)度對壩體邊坡整體進(jìn)行彈塑性分析[7]。

文中利用中國水利水電科學(xué)研究院所編制的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB對西藏某水利水庫工程土石壩壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，并對壩體材料參數(shù)敏感性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為該工程壩坡設(shè)計(jì)提供參考，為類似工程穩(wěn)定性計(jì)算提供一定的借鑒。

1 計(jì)算原理及方法

假定滑動(dòng)面為一圓弧，其半徑為R。任取一土條i，其上作用力有土條自重Wi；作用于土條底面的抗滑剪力Ti、有效法向反力Ni′及孔隙水壓力uili，假定這些力的作用點(diǎn)都在土條底面中點(diǎn)。除此以外，在土條兩側(cè)還分別作用有法向力Ei和Ei+1及切向力Xi和Xi+1，Xi+1-Xi=ΔXi。Ei及Xi分別為法向及切向條間作用力，Wi為土條自重，Qi為水平向地震慣性力，Ni，Ti分別為土條底部的總法向力(包括有效法向力及孔隙水壓力)和切向力。根據(jù)每一條豎向力的平衡條件有:

Wi+Xi-Xi+1-Tisinαi-Nicosαi=0

(1)

或

Nicosαi=Wi+Xi-Xi+1-Tisinαi

(2)

按照安全系數(shù)的定義及摩爾—庫侖準(zhǔn)則，Ti可寫成式(3)：

(3)

將式(3)代入式(2)得土條底部總法向力為：

(4)

(5)

在極限平衡時(shí)，各土條對圓心的力矩之和應(yīng)當(dāng)為0，此時(shí)土條間作用力將相互抵消，因此得：

∑Wixi-∑TiR+∑Qiei=0

(6)

將式(3),式(4)代入式(6)，且xi=Rsinαi，最后得到安全系數(shù)的公式為：

(7)

其中，Xi及Xi+1是未知的，為使問題得解，畢肖普又假定各土條之間力均略去不計(jì)，也就是假定ΔX=0，這樣式(7)可簡化成：

(8)

因?yàn)樵趍ai內(nèi)有Fs因子，所以在求Fs時(shí)要進(jìn)行迭代。在計(jì)算時(shí)，一般可以先假定Fs=1，求出mai(或假定mai=1)，再求Fs，再用此Fs求出新的mai及Fs，如此反復(fù)迭代，直至假定的Fs與算出的Fs非常接近為止。

2 計(jì)算斷面及壩體材料參數(shù)

2.1 計(jì)算斷面

計(jì)算斷面為該土石壩最大斷面位置，即樁號(hào)0+000 m段。

2.2 壩體材料參數(shù)

根據(jù)地勘基本資料，壩體各區(qū)堆石料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 各區(qū)計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算工況

結(jié)合規(guī)范要求，共計(jì)算了4種不同的工況，具體如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3.2 計(jì)算結(jié)果

對該水庫工程土石壩采用了常用的簡化畢肖普方法進(jìn)行了淺層及深層滑坡穩(wěn)定計(jì)算，此外，還考慮了90%的強(qiáng)度折減情況。各種不同工況下，大壩淺層壩坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表3所示，其中工況1和工況3滑裂面如圖1,圖2所示。

表3 各工況上、下游壩坡淺層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

工況上游安全系數(shù)下游安全系數(shù)正常折減正常折減11.4391.2971.2721.14621.3821.244——30.6610.595——41.1461.0321.1291.018

從表3可以看出各工況下上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本上都大于允許安全系數(shù)，但是在水庫驟降條件下，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)較低，但是需要說明的是，計(jì)算壩坡淺表層的穩(wěn)定基本上沒有特別大的意義，當(dāng)考慮下游護(hù)坡等措施后，淺表層的壩坡穩(wěn)定問題基本上不存在問題。另外，當(dāng)考慮大壩材料參數(shù)的90%折減情況下，壩坡淺層滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低，在折減后，除穩(wěn)定滲流期工況以及施工完建工況上游壩坡滿足規(guī)范要求外，其他情況下壩坡穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求。

表4 各工況上、下游壩坡深層的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

各種不同工況下，大壩深層壩坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表4所示，其中工況1和工況3滑裂面如圖3，圖4所示。

從表4可以看出各工況下上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都大于允許安全系數(shù)，但是在水庫驟降條件下，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)較低。另外，當(dāng)考慮大壩材料參數(shù)的90%折減情況下，壩坡淺層滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低，在折減后，壩坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

利用中國水利水電科學(xué)研究院所編制的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB對西藏某水利水庫工程土石壩壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，庫水位驟降情況下壩坡穩(wěn)定系數(shù)較低，其他工況基本滿足規(guī)范要求。在對壩體材料力學(xué)參數(shù)進(jìn)行90%折減后，壩坡穩(wěn)定系數(shù)相應(yīng)降低，有多重工況基本不滿足規(guī)范要求，建議對壩坡坡角進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

[1] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[2] 鄭穎人,趙尚毅,張魯渝.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析[J].中國工程科學(xué),2002,4(10):58-61.

[3] 吳海真,顧沖時(shí).有限元強(qiáng)度折減法在土石壩邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué),2006,24(4):55-63.

[4] 趙劍明.高土石壩地震反應(yīng)的三維非線性有效應(yīng)力分析[D].北京:中國水利水電科學(xué)研究院,1999.

[5] 張 明,劉金勇,麥家煊.土石壩邊坡穩(wěn)定可靠度分析與設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2006,25(2):103-107.

[6] 李南生,唐 博,談風(fēng)婕,等.基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的土石壩邊坡穩(wěn)定分析遺傳算法[J].巖土力學(xué),2013,34(1):243-249.

[7] 孫麗麗,李宗利.基于強(qiáng)度折減法的土石壩邊坡穩(wěn)定分析與探討[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2009,20(5):113-116.

Analysis of earth-rock dam slope stability of a reservoir project in Tibet

Yao Li Li Bingni Bai Xingfeng

(TibetHydropowerPlanningandDesignInstitute,Lhasa850000,China)

Using the software of STAB, the earth-rock dam slope of a reservoir project was studied. The dam material parameter sensitivity analysis was executive also. The results show that the stability of slope is lower when the water sharply drops in reservoir, when other conditions basically satisfy the code requirements. When the dam mechanical parameters of the material reduction of 90%, slope stability coefficient corresponding decrease, there are a variety of conditions does not meet the code specifications. Recommended slope angle of slope design is reasonable, and strictly control the quality of construction.

geotechnical engineering, reservoir， dam slope， stability

1009-6825(2016)22-0071-02

2016-05-22

姚 莉(1970- )，女，工程師； 李冰妮(1983- )，女，助理工程師； 白興鋒(1978- )，男，工程師

TV641

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