楊梅桂

(封開縣廣信堤圍養(yǎng)護中心，廣東 肇慶 526500)

1 概 述

水壩下游的坡墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接關系到水壩的健康運行，而目前的穩(wěn)定性評價方法均存在一定的局限性。近年來，因水庫邊坡失穩(wěn)事故造成極大的經(jīng)濟損失，水庫加固治理已成為亟待解決的問題[1]。

目前，有些國內(nèi)外學者采用極限平衡法，對水壩坡體穩(wěn)定性進行了分析[2-4]。沈?qū)毟萚5]采用Bishop法分析典型斜坡式坡岸的穩(wěn)定性影響因素，探究了浸潤面和坡頂荷載與穩(wěn)定系數(shù)的關系。秦鵬飛[6]基于Morgenstern-Price法，并采用條分法對水壩坡墻結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，分析極限平衡法在工程中對剛體結(jié)構(gòu)的折減作用。喬翔[7]結(jié)合失穩(wěn)工程實例，建立經(jīng)典模型，探究了支護方式和支護位置對開挖邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了合理的支護方案。

本文基于Morgenstern-Price法，采用有限元建模，分析大沖水庫坡墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素，對壩體坡比和擋墻高度與壩高之比進行獨立分析，探究對組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的主要因素，研究結(jié)果可供水庫下游結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全評價參考與借鑒。

2 工程概況

大沖水庫位于廣東省肇慶市封開縣蓮都鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于賀江流域，位于貫河(賀江支流)上游的東山河上，是一宗以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖的綜合利用中型水庫。該工程集雨面積27.28 km2，多年平均徑流深 920.0 mm，多年平均徑流量 2 575×104m3。壩址以上干流河長 7.55 km，河流平均坡降為 0.008 7。大沖水庫樞紐主要由水庫大壩、溢洪道、輸水涵管、壩后電站組成，大壩簡化后斷面圖見圖1。

對大壩進行加固前，地質(zhì)勘測結(jié)果見表1。

圖1 大壩簡化后斷面圖

表1 土體物理力學性能建議參數(shù)

3 坡墻整體計算

在工程中，一般將擋土墻與壩體看作一個整體進行受力分析，本文采用極限平衡法對組合結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析。首先采用條分法將結(jié)構(gòu)進行垂直條分，根據(jù)條塊間的相互作用關系求解邊坡的穩(wěn)定性問題。常用的分析模型有Morgenstern-Price、Bishop、Spencer、Janbu等。為了便于計算，本文選用有限元軟件對壩體結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性建模研究。根據(jù)壩體自身的地質(zhì)條件，按照壩體的最大截面進行建模并劃分網(wǎng)格，模型見圖2。

根據(jù)水庫的設計標準和實際情況，將表1的大壩地質(zhì)參數(shù)輸入至圖2的模型中，利用軟件的計算模塊，在正常水位條件下，對壩體進行滲流分析。然后選用上述4種模型，采用極限平衡法求解壩體的安全系數(shù)K的最小值，計算結(jié)果見表2。坡墻整體計算后的圓弧滑動面見圖3。

圖2 大壩幾何模型

表2 不同極限平衡法的坡墻整體計算下游壩坡安全系數(shù)的計算結(jié)果

圖3 坡墻整體計算后的圓弧滑動面

由表2數(shù)據(jù)可知，將擋土墻與壩體看作一個整體進行受力分析，采用極限平衡法對組合結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析并不可取。擋墻的主要材料為石塊，剛性較大，而壩體的材料為填土，剛性小，由于兩部分的剛性差距較大，將兩部分視為整體進行穩(wěn)定計算并不合理，計算結(jié)果也難以準確表征擋墻的抗剪強度指標。

4 分析方法

4.1 穩(wěn)定性計算

在進行穩(wěn)定性計算之前，將擋土墻穩(wěn)定設計作為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的前提，計算擋土墻頂部及以上的壩體的穩(wěn)定性，并假設發(fā)生滑坡口出現(xiàn)在擋土墻頂。選擇不同的壩體滑坡口位置，建立模型時選擇不同的邊界條件進行邊坡的穩(wěn)定性計算。蓄水位正常時，壩體的穩(wěn)定性系數(shù)計算按照規(guī)范進行，具體計算結(jié)果見表3。

根據(jù)Morgenstern-Price法計算得到，壩體竣工期的安全系數(shù)為1.425，運行期的安全系數(shù)為1.306，均滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果見圖4。

表3 不同極限平衡法的坡墻獨立計算下游壩坡安全系數(shù)的計算結(jié)果

圖4 坡墻獨立計算后的圓弧滑動面

4.2 擋墻穩(wěn)定計算

根據(jù)不同的穩(wěn)定條件，判斷下游壩體的失穩(wěn)狀態(tài)。假定最不利條件下壩體發(fā)生滑坡時的土體位置，將應力場和滲流場耦合聯(lián)立，可在軟件中計算出壩體基礎擋土墻的水平方向應力分布情況；然后根據(jù)計算得到的內(nèi)應力分布情況，推導壩內(nèi)土體作用于擋土墻的水平推力作用點和力值的大小。根據(jù)計算結(jié)果，可以推導出擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko和抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc，結(jié)果見表4。

表4 擋墻抗滑和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330-2013)[8]中擋土墻的應用級別和要求，土質(zhì)邊坡的擋土墻的抗傾覆和抗滑穩(wěn)定系數(shù)的要求分別不低于1.6和不低于1.3。由表4可知，壩體的邊坡?lián)跬翂υO計符合抗傾覆的安全標準，但不符合抗滑移的安全標準。由此可見，該水壩的邊坡?lián)跬翂γ娣e過小，不足以抵擋邊坡發(fā)生滑坡時的側(cè)向水平推動力，需要增大擋土墻底部的面積即擋土墻的厚度，來提高其抗滑移穩(wěn)定性。

分析表4數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定依賴于邊坡自身和擋土墻的穩(wěn)定性。而整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要影響因素是壩體放坡坡比和擋土墻的高度，為了更加清晰地了解上述兩個因素對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，本文針對不同的壩體坡比和擋墻高度進行組合，探究壩體坡比和擋墻高度對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

5 組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響因素分析

將壩體坡比和擋墻高度與壩高之比進行獨立分析，探究對組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響。為了便于研究和試驗現(xiàn)象的描述，本文在滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的前提下，采用降低投資和工程加固度的方式設置壩體高度為固定值20 m，設置壩體坡比分別為2.75、2.5、2，采用Morgenstern-Price法探究不同的擋墻高與壩高比對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響，設計并計算擋墻高h與壩高H之比分別為0.5、0.45、0.4、0.35、0.3以及0.25的坡體安全系數(shù)。在計算之前，需要一些限定條件，將擋土墻穩(wěn)定設計作為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的前提，計算擋土墻頂部及以上的壩體穩(wěn)定性，并假設發(fā)生滑坡口出現(xiàn)在擋土墻頂。選擇不同的壩體滑坡口位置，建立模型時，選擇不同的邊界條件進行邊坡的穩(wěn)定性計算。將應力場和滲流場耦合聯(lián)立，可在軟件中計算出壩體基礎擋土墻的水平方向應力分布情況，然后根據(jù)計算得到的內(nèi)應力分布情況，推導壩內(nèi)土體作用于擋土墻的水平推力作用點和力值的大小。根據(jù)計算結(jié)果，可以推導出擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko和抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc，結(jié)果見表5。

表5 不同坡比、墻高對應的安全系數(shù)

表5為18種不同工況組合情況下的下游壩體穩(wěn)定性系數(shù)變化情況。根據(jù)規(guī)范要求，表5對每一種工況的擋土墻抗傾穩(wěn)定系數(shù)和和覆抗滑穩(wěn)定系數(shù)進行了評價。由表5可知，在18種組合工況中，有5種組合的擋土墻抗傾穩(wěn)定系數(shù)和覆抗滑穩(wěn)定系數(shù)以及整體穩(wěn)定性系數(shù)符合規(guī)范要求。通過比較擬合計算的結(jié)果可知，組合結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性主要受擋墻高度與壩高之比和壩體坡比這兩個因素的影響。但組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)不符合規(guī)范要求時，單個調(diào)整壩體坡比或擋墻高度與壩高之比，均不能在考慮經(jīng)濟的前提下使整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足要求。因此，在設計組合結(jié)構(gòu)時，要充分考慮壩體坡比和擋墻高度與壩高之比這兩個因素產(chǎn)生的綜合作用。圖5為兩個主要因素對下游壩體安全系數(shù)的影響規(guī)律。

圖5 安全系數(shù)與n關系曲線

從圖5可以看出，壩體坡比為2、擋墻高度與壩高之比為0.25 時，下游壩坡穩(wěn)定性不符合要求。壩體坡比為2，擋墻高度與壩高之比為0.3～0.5；壩體坡比為2.5，擋墻高度與壩高之比為0.35～0.5；壩體坡比為2.75，擋墻高度與壩高之比為0.4～0.5時，擋墻抗滑穩(wěn)定性不符合要求。壩體坡比為2.5，擋墻高度與壩高之比為0.25、0.3；壩體坡比為2.75，擋墻高度與壩高之比為0.25、0.3、0.35時，安全系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)均符合要求。在符合要求的前提下，下游壩坡坡比為2.5或2.75時，壩體安全系數(shù)變化曲線與擋墻抗滑穩(wěn)定變化曲線與擋墻高度與壩高之比為0.3～0.33處相交，曲線的交點被視為壩體坡比設計和擋墻高度與壩高之比設計的最優(yōu)加固方案。

6 結(jié) 論

1) 擋墻的主要材料為石塊，剛性較大，而壩體的材料為填土，剛性小。由于兩部分的剛性差距較大，將兩部分視為整體進行穩(wěn)定計算時并不合理性，計算結(jié)果也難以準確表征擋墻的抗剪強度指標。

2) 獨立分析壩體坡比和擋墻高度與壩高之比，可以更好地探究影響組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。

3) 在符合要求的前提下，壩體安全系數(shù)變化曲線與擋墻抗滑穩(wěn)定變化曲線的交點，可被視為壩體坡比設計和擋墻高度與壩高之比設計的最優(yōu)加固方案。