洪 祥,宋亞紅

(如皋市水利建筑安裝工程有限公司,江蘇 南通 226500)

0 引 言

水利樞紐作為重要的水資源調(diào)節(jié)和利用工程,其高邊坡穩(wěn)定性研究具有重要意義。高邊坡是指水利樞紐中的大壩、堤壩以及溢洪道、導(dǎo)流隧洞等工程結(jié)構(gòu)中的垂直面或斜坡面,其穩(wěn)定性直接關(guān)系到工程的安全運(yùn)行和持久發(fā)展[1-2]。

一方面,水利樞紐高邊坡穩(wěn)定性研究對于保障工程的安全運(yùn)行至關(guān)重要。水利樞紐所承載的水壓力、地震力以及溫度變化等外部因素,都會對高邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過深入研究高邊坡的穩(wěn)定性特性和其受力機(jī)制,可以確定合適的抗滑穩(wěn)定措施,提高工程的抗災(zāi)能力和安全性,確保水利樞紐長期穩(wěn)定運(yùn)行,有效防止因高邊坡失穩(wěn)引發(fā)的災(zāi)害事故發(fā)生[3]。

另一方面,水利樞紐高邊坡穩(wěn)定性研究對于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防具有重要意義。水利樞紐的建設(shè)往往需要改變原有的地形地貌,對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。通過科學(xué)研究高邊坡的穩(wěn)定性問題,可以降低工程對生態(tài)環(huán)境的破壞,保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和多樣性[4]。同時,在高邊坡穩(wěn)定性研究中,也可以對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評估和預(yù)測,提前采取措施,減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,保護(hù)周邊地區(qū)的人民生命財產(chǎn)安全。因此,水利樞紐高邊坡穩(wěn)定性研究的重要性不言而喻[5]。它不僅能夠保障工程的安全運(yùn)行和持久發(fā)展,節(jié)約投資和減少工程風(fēng)險,還能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境,預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害[6]。

因此,本文以某水利樞紐高邊坡工程為研究背景,通過有限元軟件,探究水位變化過程中邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化情況,揭示水位變化下的邊坡穩(wěn)定性變化機(jī)理,為工程設(shè)計提供依據(jù),制定邊坡坡度、支護(hù)結(jié)構(gòu)和防護(hù)措施。合理的工程設(shè)計不僅能夠提高高邊坡的穩(wěn)定性,減少工程風(fēng)險,還能有效降低工程成本,提高工程的可持續(xù)性。

1 工程概況

本文以江蘇省某水利樞紐高邊坡為研究背景,該邊坡最高海拔670m,最低海拔580m,最陡處邊坡坡率0.8。地質(zhì)從上到下共分為4層:第一層由卵石和粉質(zhì)黏土組成;第二層為全風(fēng)化云母石英片巖;第三層為強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖;第四層為弱風(fēng)化云母石英片巖。在邊坡坡腳處堆放有高度20m的大量棄土。

通過現(xiàn)場實勘發(fā)現(xiàn),邊坡的局部穩(wěn)定性差,出現(xiàn)開裂、滑移的現(xiàn)象。其中,3條變形的具體情況如下:1#處貫穿裂縫長25m,寬5cm,屬于淺土滑移;2#處滑移始于2013年,后緣錯坎高80cm,發(fā)生滑移的坡體長25m,寬30cm,厚2m。邊坡斷面圖見圖1。

2 有限元建模

本研究假設(shè)黏土巖體為理想彈塑性材料,而硬巖體為各向同性彈性材料。所有分析均在平面應(yīng)變條件下進(jìn)行。假定硬巖和黏土層的質(zhì)量分別為一般和較差。硬巖的楊氏模量設(shè)為1GPa,而黏土的楊氏模量設(shè)為硬巖的1/20和1/50,目的是研究黏土的存在對巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵作用。假設(shè)硬巖的單位重量和泊松比分別為26.2kN/m3和0.2,處于優(yōu)質(zhì)巖體的合理范圍內(nèi)。

基礎(chǔ)邊界定義為模型左右兩側(cè)表面和底面的法向位移固定為零,頂部邊界定義為不受約束可以自由變形。模型基于水庫橫截面積的高程讀數(shù),使用六節(jié)點(diǎn)三角形單元生成。開發(fā)的有限元模型包含約22 606個單元和183 380個節(jié)點(diǎn)。土體參數(shù)的容重、黏聚力和內(nèi)摩擦角從上至下分別為1.7g/cm3、11kPa、14°;2.2g/cm3、15kPa、35°;2.7g/cm3、40kPa、25°;2.77g/cm3、100kPa、35.6°;2.83g/cm3、140kPa、36.1°。具體模型見圖2。

圖2 模型圖

3 邊坡穩(wěn)定性

3.1 靜止水位的影響

在靜止水位狀態(tài)下,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律見圖3。由圖3可知,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著蓄水位的增加而增加,穩(wěn)定性系數(shù)處于1.05～1.3之間。蓄水位的增加導(dǎo)致邊坡底部的水壓力增加。水在邊坡與土體之間產(chǎn)生的水壓力對土體施加一個向上的力,這種力有助于抵抗邊坡的下滑和傾覆。因此,隨著蓄水位的增加,邊坡底部的水壓力增大,使邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)增加。

圖3 靜止水位狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

此外,蓄水位的提高可能導(dǎo)致土體飽和線以下土體飽和度的增加。飽和土的內(nèi)摩擦角通常較干燥土體小,表明飽和土體的剪切強(qiáng)度較低。在飽和度較低時,土體顆粒間的水分起到潤滑作用,從而降低了土體的抗剪強(qiáng)度。因此,隨著飽和度的增加,土體的抗剪強(qiáng)度增加,有助于提高邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。但邊坡的整體穩(wěn)定性均低于規(guī)范設(shè)定的安全閾值,須對其進(jìn)行加固處理。

3.2 水位上升的影響

在靜止水位上升過程中,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律見圖4。由圖4可知,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著蓄水位的增加呈現(xiàn)先減小后增大,最后趨于穩(wěn)定。在蓄水位為628m處時,穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.088 9。蓄水位上升會增加水對邊坡的壓力,壓力作用下軟弱土層的穩(wěn)定性減弱,導(dǎo)致整體穩(wěn)定性系數(shù)下降。當(dāng)水壓力的增加超過一定值時,可以填充邊坡中的孔隙空間,并提供一定的支撐作用,使邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)增大,從而提高邊坡的穩(wěn)定性。從水位變化對邊坡安全系數(shù)影響的變化規(guī)律可以看出,蓄水位從623m增加至628m之間,堆積的土體逐漸處于飽和狀,邊坡的穩(wěn)定性降低,此時易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖4 水位上升過程中邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

3.3 水位下降的影響

水位以0.3m/d的速度每下降6～7m過程中,邊坡狀態(tài)變化情況見圖5。由圖5可知,在水位為629～623m時,邊坡的滑動形態(tài)為圓弧狀,邊坡的影響范圍從坡頂?shù)狡履_,且邊坡的滑動區(qū)域最大,此時的穩(wěn)定性最差。當(dāng)水位在636～629m時,滑動區(qū)域的影響厚度減小,腳部的應(yīng)力集中,土體飽和。當(dāng)水位處于643～636m時,滑動影響區(qū)域進(jìn)一步減小,應(yīng)力集中局域進(jìn)一步下移;在水位處于643m時,腳部的應(yīng)力集中最大,邊坡整體穩(wěn)定性最好。

圖5 矢量云圖

水頭下降過程中,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律見圖6。由圖6可知,隨著水頭下降,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈線性下降。在水頭下降值達(dá)到15m時,邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最小值;水頭下降超過15m后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸上升。

圖6 水頭下降過程中邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

首先,水力作用對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)水頭較高時,水流對邊坡施加的壓力較大,導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)較高。這是因為水流所帶來的慣性力、浸潤力和動壓力等會增大邊坡的受力,使其處于較為不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)水頭下降時,這些水力作用逐漸減小,邊坡所受的壓力也相應(yīng)減小,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈線性下降趨勢。

其次,邊坡材料的特性對穩(wěn)定性系數(shù)的變化起重要作用。某些邊坡材料在水流沖刷下容易發(fā)生流失、潰決等現(xiàn)象,導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。隨著水頭的下降,水流對邊坡的沖刷作用減弱,材料的流失現(xiàn)象減少,因此邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降。當(dāng)水頭下降至15m時,邊坡材料經(jīng)歷了最嚴(yán)重的流失和變形,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最小值。當(dāng)水頭繼續(xù)下降超過15m后,由于流失等現(xiàn)象已經(jīng)達(dá)到極限,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)開始逐漸上升。

因此,這種水頭與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化的關(guān)系是因為水力作用和邊坡材料特性相互作用的結(jié)果。水頭下降會減小水流對邊坡的壓力,降低邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。同時,邊坡材料的流失和變形會隨著水頭的下降而減少,提高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

3.4 穩(wěn)定性系數(shù)對比

在不同水位區(qū)間中,水位上升和水位下降對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響見圖7。變化幅度是由該區(qū)間的最高穩(wěn)定性系數(shù)與628m處最小值的差值與628m處最小值的比值確定。由圖7可知,在水位從623m升高至628m的過程中,穩(wěn)定性系數(shù)降低6.91%;從628m升高至643m的過程中,穩(wěn)定性系數(shù)升高9.82%。在水位從628m下降至623m的過程中,穩(wěn)定性系數(shù)增加10.43%;從643m下降至628m的過程中,穩(wěn)定性系數(shù)降低14.5%,表明水位下降對邊坡的影響比上升更大。

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)對比

當(dāng)水位降落時,從邊坡中排水的速度增加,導(dǎo)致孔隙水壓力的快速消散。這種快速消散可能引起邊坡內(nèi)部的滲流和孔隙水流動,進(jìn)而減小了邊坡材料之間的摩擦力和顆粒間的相互支撐作用,降低了邊坡的整體抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時,邊坡材料可能因為瞬時排水而發(fā)生排水濕陷和松動,使邊坡結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。相比之下,水位上升過程中,水流對邊坡的壓力增加,會增加邊坡的抗滑強(qiáng)度,并且水能對邊坡表面形成一定的沖刷保護(hù)層,有助于減少邊坡材料的流失和侵蝕。

因此,水位降落在較短時間內(nèi)改變了邊坡內(nèi)水力環(huán)境,破壞了邊坡的穩(wěn)定性,因而比水位上升更容易引發(fā)邊坡破壞。

3.5 工程措施

為了降低邊坡滑動風(fēng)險并保護(hù)橋梁基礎(chǔ)和路基安全,采取沿河道設(shè)置高24m的反壓護(hù)道、設(shè)立肋板墻段和錨索肋板墻防護(hù)3個重要措施。高24m的反壓護(hù)道通過提供支撐和阻擋效果穩(wěn)定邊坡,抵消水頭對邊坡的壓力,有效降低滑動風(fēng)險。設(shè)立肋板墻段進(jìn)一步加強(qiáng)邊坡的抗滑能力,鋼筋混凝土板和肋柱結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的抗剪和抗滑能力,伸縮縫的設(shè)置減少了應(yīng)力集中,確保結(jié)構(gòu)完整性。錨索肋板墻防護(hù)進(jìn)一步增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性和防護(hù)能力。通過使用鋼絞線錨索,將墻體與巖土體連接起來,提供了全面的支撐和防護(hù)效果。這些措施共同發(fā)揮作用,可減少邊坡滑動風(fēng)險,保護(hù)橋梁基礎(chǔ)和路基的安全。通過沿河道設(shè)置反壓護(hù)道、肋板墻段和錨索肋板墻防護(hù)的綜合應(yīng)用,可實現(xiàn)邊坡整體穩(wěn)定,有效降低滑坡和坡面沉降的風(fēng)險,確保交通運(yùn)輸安全和基礎(chǔ)設(shè)施的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文以某水庫路基邊坡為研究背景,通過有限元分析了水位變化過程對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響,探討了水利樞紐高邊坡穩(wěn)定性及加固措施。結(jié)論如下:

1)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著蓄水位的增加而增加,穩(wěn)定性系數(shù)處于1.05～1.3之間。靜水位條件下,該邊坡的整體穩(wěn)定性均低于規(guī)范設(shè)定的安全閾值,須對其進(jìn)行加固處理。

2)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著蓄水位的增加呈現(xiàn)先減小后增大,最后趨于穩(wěn)定。在蓄水位為628m處時,穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.088 9。

3)隨著水頭下降,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈線性下降。在水頭下降值達(dá)到15m時,邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最小值;水頭下降超過15m后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸上升。