向宏榮，周 勇，關(guān) 峰

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2．湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司, 湖北 武漢 430034)

壩坡穩(wěn)定分析是確定壩剖面和評價(jià)壩體安全的主要依據(jù)，其可靠程度對壩的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要影響[1]。對于水利工程而言，壩坡穩(wěn)定是一個(gè)多學(xué)科交叉和多研究手段的復(fù)雜課題，涉及結(jié)構(gòu)工程、材料學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)等多方面相互關(guān)聯(lián)問題[2]。事實(shí)上，壩坡穩(wěn)定是一個(gè)受自身物質(zhì)條件和外部環(huán)境條件影響的復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)，涉及巖土力學(xué)性質(zhì)、降雨、庫水位的升降變化等多方面因素[3]。目前，探究影響庫岸邊坡穩(wěn)定的因素諸多，然而，探究壩坡穩(wěn)定的影響因素研究則相對偏少。

近年來，不少學(xué)者對水庫邊坡處于有水情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并得到相應(yīng)的研究成果。例如，王歡[4]探究了庫水位變化對壩坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)庫水位變化時(shí)會(huì)對下游壩坡穩(wěn)定性造成較大影響；辛保泉[5]研究了降雨入滲條件下基質(zhì)吸力對壩坡穩(wěn)定性影響，研究結(jié)果表明，降雨隨著土體含水率的增加，壩坡穩(wěn)定性逐漸降低；此外，喬娟等[6]研究了黏土斜心墻土石壩穩(wěn)定性影響因素，探究壩高和黏土斜心墻高對壩坡穩(wěn)定的影響，論證了壩高對上游壩坡穩(wěn)定的影響相對較大，是影響上游壩坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。以上分別就庫水位變化、基質(zhì)吸力以及靜水條件下影響壩坡穩(wěn)定性的因素展開研究。然而，考慮動(dòng)水條件下的壩高與壩坡穩(wěn)定性規(guī)律研究相對較少，因此有必要對動(dòng)水邊界條件下的黏土斜心墻壩壩高對壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律展開研究。

針對上述研究中存在不足，本文以某具體工程實(shí)例為研究對象，針對動(dòng)水邊界條件下的黏土斜心墻三種壩高進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算，開展黏土斜心墻壩壩高與壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律探究，為大壩在動(dòng)水邊界條件下的壩坡穩(wěn)定性提供科學(xué)指導(dǎo)，提高壩坡整體穩(wěn)定性。

1 研究資料

1.1 研究對象

本文依托某黏土斜心墻土石壩展開動(dòng)水邊界條件下的壩高與壩坡穩(wěn)定性規(guī)律研究。根據(jù)實(shí)際工程資料，結(jié)合《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)[7]對該工程進(jìn)行分等、分級，為探究動(dòng)水邊界條件下的黏土斜心墻壩高與壩坡穩(wěn)定性影響，本文設(shè)計(jì)了3種不同的壩高。結(jié)合《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)[8]，取正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位三種計(jì)算工況下的最大計(jì)算壩高作為設(shè)計(jì)壩高。通過計(jì)算分析，校核洪水位工況下的計(jì)算壩高值最大，因此，以校核洪水位下的計(jì)算壩高作為其壩高的設(shè)計(jì)值。3種不同的壩高具體剖面設(shè)計(jì)如表1所示，以壩高45.3 m、95.7 m、146.2 m為例。

表1 3種不同壩高的剖面設(shè)計(jì)

1.2 計(jì)算工況與安全系數(shù)的選取

為探究動(dòng)水邊界條件下的黏土斜心墻壩高與壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，以校核洪水位的情況為例設(shè)計(jì)了3種不同壩高的剖面進(jìn)行研究。由于本工程屬于1級工程，且其所在地的基本地震烈度為Ⅳ級，因而不需要考慮地震作用。結(jié)合實(shí)際情況，本工程的壩高與壩坡穩(wěn)定性影響規(guī)律主要考慮穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落[9-10]時(shí)，具體考慮工況如下：

穩(wěn)定滲流期校核兩種工況下的上、下游壩坡穩(wěn)定：(1)上游為正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位，下游為相應(yīng)水位，屬正常運(yùn)用條件。(2)上游為校核洪水位，下游為相應(yīng)水位，屬非常運(yùn)用條件。

水庫水位降落期校核兩種工況下的上、下游壩坡穩(wěn)定：(1)上游為正常蓄水或設(shè)計(jì)洪水位突然放空時(shí)，屬正常運(yùn)用條件。(2)上游為校核洪水位突然放空時(shí)，屬非常運(yùn)用條件。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

1.3 材料參數(shù)

壩體不同分區(qū)的材料物理力學(xué)以及基巖強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)主要包括內(nèi)摩擦角、容重、有效黏聚力等，它是由現(xiàn)場大體積密度試驗(yàn)、大剪試驗(yàn)及室內(nèi)剪切試驗(yàn)獲得，具體材料參數(shù)如表3所示。

表3 壩體不同分區(qū)材料參數(shù)

2 壩坡穩(wěn)定性分析計(jì)算模型及方法

2.1 計(jì)算方法

極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用十分廣泛，對多余變量假定的不同構(gòu)成了不同的極限平衡條分法[11]。目前工程上采用的土坡穩(wěn)定分析的方法，大多數(shù)是建立在極限平衡理論基礎(chǔ)之上的。計(jì)算采用Geo-Studio2007分析軟件中的Slope/w模塊進(jìn)行穩(wěn)定場的模擬，三種壩高在滿足穩(wěn)定滲流條件下，進(jìn)行動(dòng)水邊界條件下的壩坡穩(wěn)定分析，并結(jié)合Slope/w模塊以極限平衡理論中的Morgenstern-Prince(簡稱M-P法)[12-13]分析法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的抗滑安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。

2.2 計(jì)算假定

經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，可能存在潛在滑移面。根據(jù)邊坡地質(zhì)條件及滑動(dòng)破壞特征，采用GEO-Slope/w程序的Morgenstern-Price法建立計(jì)算模型。Morgenstern-Price法可對任意形狀的滑裂面進(jìn)行分析，故作如下假設(shè)[14]：(1)假定滑裂面為任意形狀，且兩滑動(dòng)土條的法向條間力和切向條間力之間存在關(guān)于水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系。(2)每個(gè)土條均與土坡具有相同的穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，任一土條在滑動(dòng)面上的抗剪力只發(fā)揮了一部分，并與此時(shí)的滑動(dòng)力相平衡。(3)以滑動(dòng)土條底部法向力和平行方向力以及土條底部中心點(diǎn)的力矩平衡建立力學(xué)方程。

2.3 壩坡穩(wěn)定性分析計(jì)算模型

Geo-Studio[15]是一套專業(yè)、高效且功能強(qiáng)大的適用于巖土工程、水利工程、地質(zhì)工程以及公路工程等相關(guān)領(lǐng)域開發(fā)的仿真分析軟件，它包含Seep/w、Slope/w、Sigma/w、Quake/w等一系列的有限元分析模塊。本文采用Slope/w模塊建立數(shù)值模型來探究動(dòng)水邊界條件下壩高與壩坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，數(shù)值建模具體步驟：(1)設(shè)置坐標(biāo)軸及比例、輸入坐標(biāo)控制點(diǎn)。(2)建立模型以及網(wǎng)格劃分、輸入材料參數(shù)以及定義本構(gòu)關(guān)系。(3)輸入邊界條件，計(jì)算求解。

在進(jìn)行穩(wěn)定分析之前，首先要對壩體剖面不同分區(qū)材料進(jìn)行材料填充，以其中45.3 m的壩高為例進(jìn)行材料填充，定義邊界條件，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定分析模型示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 穩(wěn)定滲流期計(jì)算結(jié)果分析

采用極限平衡法分別計(jì)算穩(wěn)定滲流期上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算見圖2、圖3。

圖2 各工況下不同壩高的上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3 各工況下不同壩高的下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

在穩(wěn)定滲流期，三種壩高在三種不同工況下，其最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，說明三種不同壩高剖面設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定滲流要求。上、下游壩坡抗滑安全系數(shù)隨著壩高的增加而增大，并且上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于下游。說明安全系數(shù)與壩高有關(guān)，上游壩坡比下游更加穩(wěn)定。

3.2 水庫水位降落期計(jì)算結(jié)果分析

通過Slope/w建模計(jì)算，計(jì)算不同壩高三種工況下1 d、3 d、5 d、7 d水庫放空時(shí)，上、下游壩坡最小安全系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見圖4～圖7。

圖4 1 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖5 3 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖6 5 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖7 7 d放空條件下，各工況下不同壩高壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖4～圖7分別為1 d、3 d、5 d、7 d放空條件下，三種壩坡在各工況下的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)：

(1)當(dāng)壩高為45.3 m，根據(jù)圖4～圖6數(shù)據(jù)可以看出，水庫自水位降落1 d、3 d、5 d放空(持續(xù)30 d)情況下，上、下游壩坡最小安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定值，說明大壩有可能在第1 d、3 d、5 d泄水放空時(shí)候失穩(wěn)，這對大壩運(yùn)行管理十分不利；根據(jù)圖7數(shù)據(jù)，水庫在第7 d泄水放空時(shí)，上、下游壩坡最小安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定值，因而在第7天泄水放空時(shí)候，水庫是安全的。

(2)當(dāng)壩高為95.7 m以及146.2 m，1 d、3 d、5 d、7 d放空，上、下游壩坡最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，說明此時(shí)放空天數(shù)對上、下游壩坡失穩(wěn)影響不大，但為了安全以及運(yùn)行管理方便，還是建議7 d放空對大壩進(jìn)行檢修維護(hù)。

(3)當(dāng)水庫處于水位降落期時(shí)，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)總是小于下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，上游坡腳穩(wěn)定性不夠，此時(shí)發(fā)生滑坡的可能性很大，這是因?yàn)樯嫌螇纹碌谋韺釉诳紫端畨毫皯?yīng)力場作用下，很快達(dá)到飽和，此時(shí)壩坡的基質(zhì)吸力減小，基質(zhì)吸力的減小會(huì)造成土體抗剪強(qiáng)度的減弱，進(jìn)而影響壩體安全，極其容易形成滑坡[16]。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)極限平衡法，通過Slope/w建模計(jì)算三種壩高在不同工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，得出如下結(jié)論：

(1)三種不同高度的壩，在動(dòng)水邊界條件下黏土斜心墻壩壩坡抗滑系數(shù)隨壩高的增大而增大。

(2)在穩(wěn)定滲流期，上游抗滑系數(shù)大于下游，但是在水位降落期，下游抗滑系數(shù)大于上游。

(3)水庫水位降落期，水庫放空1 d、3 d、5 d，低壩上游壩坡抗滑系數(shù)比下游壩坡抗滑系數(shù)小并且小于規(guī)范規(guī)定值，此時(shí)極易失穩(wěn)，存在較大局部滑動(dòng)的可能性。因此，該壩上游坡在放空期存在更為嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)進(jìn)行加固處理，確保大壩的安全運(yùn)行，應(yīng)加厚坡體，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性，以保證大壩的安全和工程效益的正常發(fā)揮。