鞏平福

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

寶雞峽98 km總干渠道，因行走于塬高(100～130 m)坡陡(30°～35°)黃土塬上，居高臨下，位置十分險(xiǎn)要，被稱為人造“天上懸河”，同時(shí)渠道沿線，溝壑縱橫、泉眼密布、窯洞墓穴眾多、地質(zhì)條件復(fù)雜的塬邊，是寶雞峽灌區(qū)的“咽喉工程”[1-3]。該渠道于1971年建成通水，現(xiàn)已運(yùn)行50 a，該區(qū)段地質(zhì)條件復(fù)雜，當(dāng)初建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，加之長(zhǎng)期運(yùn)行，工程老化破損嚴(yán)重，渠道兩側(cè)邊坡土體由風(fēng)積、坡積、滑坡堆積和人工堆積等成因類型的土層組成，土層的力學(xué)性質(zhì)差異較大[4-6]。黃土陡邊坡表層長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷雨水沖刷植被被破壞，致使邊坡表面形成沖溝和洞穴[7-8]。邊坡上的渠道的襯砌運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，未做定期維修保養(yǎng)而發(fā)生漏水將會(huì)引發(fā)滑坡。本文以寶雞峽98 km塬邊渠道k91+900 m處邊坡為研究對(duì)象，針對(duì)k91+900 m斷面，利用有限元軟件Geostudio軟件，建立有限元計(jì)算模型，對(duì)邊坡在不同的工況下的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

1 基本地質(zhì)概況

樁號(hào)k91+650 m～k92+100 m段塬頂高程625.0 m，塬下地面高程490.0 m左右，邊坡總高度達(dá)130 m，渠堤高程587.6 m，渠道左側(cè)人工邊坡坡高約35～40 m，平均坡度約40°。渠堤右側(cè)人工邊坡坡高約90 m，外側(cè)斜坡坡度35°～45°。修建渠道時(shí)在渠道右側(cè)大量堆積棄土，成為寬度15～20 m人工平臺(tái)[9]。

人工平臺(tái)自然堆土厚度一般2～4 m，成分不均一，分布張裂縫，裂縫深度延伸到原始地層的頂面，村民灌溉用水時(shí)常從半坡滲出，右側(cè)外邊坡在高程520 m到渠頂590 m高邊坡平均坡比38°，局部為50°，高程520 m以下地形相對(duì)平緩，邊坡地層為黃土狀壤土及古土壤，土質(zhì)致密，分布有近于水平的鈣核層[10]。

2 邊坡計(jì)算模型和物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)黃土形成的年代和特點(diǎn)對(duì)邊坡土分層命名，此斷面邊坡黃土為7層黃土地層結(jié)構(gòu)，由新到老依次為Q4s、Q3eol、Q22eol+pl、Q21eol+pl、Q12eol+pl、Q11eol+pl和Q1al。邊坡計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分模型見圖1和圖2。

圖1 計(jì)算模型 圖2 模型網(wǎng)格劃分

模型的底面邊界采用垂直約束形式，左側(cè)高邊坡邊界采用水平向約束形式。滲漏工況采取在渠道水深2.6 m的范圍之內(nèi)采用加水頭的全斷面滲漏的邊界，地震采用在邊坡體上加地震時(shí)程加速度的方法。

各土層的物理特性指標(biāo)(天然容重、飽和容重、滲透系數(shù))和力學(xué)特性指標(biāo)(粘聚力、摩擦角、剪切模量、阻尼比)，具體見表1。

表1 k91+900m段地層物理力學(xué)指標(biāo)

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)邊坡地質(zhì)條件和實(shí)際運(yùn)行工況，本文分別計(jì)算邊坡在正常運(yùn)行、渠道發(fā)生滲漏、渠道滲漏加地震共三種工況下邊坡的安全系數(shù)。

3.1 正常運(yùn)行工況

正常工況具體條件：(1)渠道水位為2.6 m；(2)地下水位依據(jù)剖面圖標(biāo)注水位；(3)渠道不發(fā)生滲漏，即地下水位保持穩(wěn)態(tài)不變，不同方法計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 采用有效應(yīng)力指標(biāo)摩根斯法計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算可得，在正常運(yùn)行工況下，邊坡的左右岸局部安全系數(shù)和整體安全系數(shù)相差不大，都大于1.2，說明在正常運(yùn)行工況下，渠道運(yùn)行安全。

3.2 渠道發(fā)生滲漏工況

具體情況是：(1)渠道水位為2.6 m；(2)地下水位依據(jù)剖面圖標(biāo)注水位；(3)渠道發(fā)生滲漏，即地下水位因滲漏發(fā)生變化，不同方法計(jì)算結(jié)果如下圖所示。渠道底部滲漏量為1.154 m3/d。

計(jì)算結(jié)果表明，渠道發(fā)生滲漏時(shí)，右岸邊坡會(huì)發(fā)生局部滑坡，繼而影響整體邊坡的安全穩(wěn)定性，說明滲漏是影響邊坡安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，左右岸和整體邊坡在渠道發(fā)生滲漏時(shí)的安全系數(shù)見圖4～圖6。

圖4 渠道滲漏條件下左岸邊坡潛在滑坡形態(tài)與安全系數(shù) 圖5 渠道滲漏條件下右岸邊坡潛在滑坡形態(tài)與安全系數(shù)

圖6 渠道滲漏條件下整體邊坡潛在滑坡形態(tài)與安全系數(shù)

3.3 渠道地震工況下的安全穩(wěn)定性

項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)地震加速度時(shí)程由陜西大地地震工程勘察中心關(guān)于陜西地區(qū)華縣大地震中50 a超越概率10%設(shè)防概率水平下的合成場(chǎng)地基巖地震動(dòng)加速度時(shí)程確定，峰值加速度a=0.2 g，特征周期0.34 s，具體的地震加速度時(shí)程曲線見圖7。對(duì)于邊坡，因?yàn)橐话阏J(rèn)為垂直于邊坡向水平地震是最危險(xiǎn)的情況，因此計(jì)算時(shí)，只考慮輸入水平垂直于邊坡的地震加速度時(shí)程。

圖7 地震時(shí)程曲線

具體工況為：(1)渠道水位為2.6 m；(2)地下水位依據(jù)剖面圖標(biāo)注水位；(3)渠道不發(fā)生滲漏，即地下水位保持穩(wěn)態(tài)不變；(4)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行地震時(shí)程反應(yīng)分析計(jì)算，邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下。

計(jì)算結(jié)果表明，地震對(duì)邊坡左右岸及整體的安全穩(wěn)定性影響很小，分析原因是寶雞峽渠道k91km處地震加速度最大值為0.20 g，地震發(fā)生時(shí)在邊坡上不會(huì)產(chǎn)生過大的水平剪應(yīng)力，雖然地震時(shí)安全系數(shù)有所上下變動(dòng)，但變化幅值不大，不足以引起邊坡滑坡失穩(wěn)。左右岸及整體邊坡安全系數(shù)變化時(shí)程曲線見圖8、圖9和圖10，右岸地震發(fā)生5.2秒時(shí)的最小安全系數(shù)圓弧面見圖11。

圖8 左岸安全系數(shù)與地震持時(shí)的關(guān)系曲線 圖9 右岸安全系數(shù)與地震持時(shí)的關(guān)系曲線

圖10 整體邊坡安全系數(shù)與地震持時(shí)的關(guān)系曲線 圖11 地震5.2秒時(shí)左岸邊坡潛在滑坡形態(tài)與安全系數(shù)圖

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)正常運(yùn)行、渠道滲漏和地震情況下的邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析，取得了一下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

(1)渠道在正常運(yùn)行工況下，采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算邊坡安全穩(wěn)定性時(shí)，摩根斯法計(jì)算得到左岸邊坡的安全系數(shù)為1.303，右岸的安全系數(shù)為1.338，整體邊坡安全系數(shù)為1.363，有效應(yīng)力的安全系數(shù)大于規(guī)范要求。

(2)渠道襯砌失效，發(fā)生滲漏時(shí)，其單寬滲漏量為1.154 m3/d，左岸邊坡餓安全系數(shù)為1.286，右岸邊坡的安全系數(shù)為0.807，整體邊坡安全系數(shù)為0.963，渠道右岸將會(huì)發(fā)生局部滑坡，連帶整體失穩(wěn)。

(3)在渠道正常運(yùn)行時(shí)，遭遇地震發(fā)生，左岸邊坡的最小安全系數(shù)為1.183，邊坡處于頻臨滑坡狀態(tài)，右岸邊坡的安全系數(shù)為1.257，整體邊坡的安全系數(shù)為1.270，邊坡處于安全狀態(tài)。說明地震對(duì)寶雞峽塬邊渠道的穩(wěn)定性影響很小，在實(shí)際工程維護(hù)運(yùn)行管理中，無需過多考慮。

總結(jié)分析，寶雞峽塬邊渠道在正常運(yùn)行工況下，其處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生滑坡失穩(wěn)。在渠道襯砌破壞，發(fā)生滲漏情況下，其右岸邊坡會(huì)發(fā)生滑坡破壞，繼而聯(lián)動(dòng)引起整個(gè)邊坡滑坡失穩(wěn)。地震對(duì)寶雞峽渠道安全穩(wěn)定性影響甚微。