象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩壩坡穩(wěn)定性分析

蔣琳琳，趙 川，張炅冏

(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636; 2.四川省水利科學(xué)研究院，成都 610072;3. 西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039; 4.水利部海委海河下游管理局，天津 300061)

瀝青混凝土心墻堆石壩是一種常見的土石壩，具有防滲性可靠、抗震性強(qiáng)、適應(yīng)壩體和基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前有越來越多的瀝青心墻壩正在設(shè)計(jì)和施工[1,2]。在我國(guó)西南地區(qū)，采用石渣料修建瀝青心墻壩起步較晚，但發(fā)展十分迅速[3-5]。

瀝青心墻壩的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于壩體材料分區(qū)設(shè)計(jì)及瀝青心墻和過渡料及石渣料的變形協(xié)調(diào)[6,7]，根據(jù)目前已經(jīng)修建完工并投入運(yùn)行的瀝青混凝土心墻堆石壩反饋的情況來看，分區(qū)堆石料及心墻的變形協(xié)調(diào)問題已基本解決，而對(duì)西南地區(qū)砂巖石渣料瀝青心墻壩的壩坡滲流穩(wěn)定計(jì)算還缺乏統(tǒng)一結(jié)論。鑒于此，本文以四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩工程為例，基于室內(nèi)壩料性能試驗(yàn)，采用極限平衡法計(jì)算分析象鼻咀瀝青心墻壩在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I等5種工況下的壩坡穩(wěn)定，以供類似工程借鑒。

1 工程概況

象鼻咀水庫(kù)工程位于四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣北部山區(qū)連界鎮(zhèn)先鋒村和反帝村威遠(yuǎn)河上游干流寶溪河之陳家沱至象鼻咀河段上，威遠(yuǎn)河系沱江右岸二級(jí)支流，屬沱江水系，在水口廟以上稱寶溪河。威遠(yuǎn)河主流發(fā)源于威遠(yuǎn)縣境內(nèi)的連界場(chǎng)清風(fēng)寨兩母山東北麓，干流全長(zhǎng)131 km，全流域面積1 022 km2，河道平均比降0.48%。工區(qū)距威遠(yuǎn)縣城35 km，有鄉(xiāng)村公路通過，對(duì)外交通較方便。

象鼻咀水庫(kù)工程為瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸溢洪道和左岸放空洞的樞紐總體布置方案。水庫(kù)正常蓄水位：583 m，死水位：554 m，校核洪水位：583.70 m，設(shè)計(jì)洪水位：583 m，正常蓄水位庫(kù)容：533 萬m3，死庫(kù)容：40.5 萬m3，有效庫(kù)容：492.5 萬m3，總庫(kù)容542.3 萬m3。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL 252-2000，本工程規(guī)模屬小(一)型，工程等別為Ⅳ等。瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程584.3 m，壩頂寬6 m，最大壩高55.3 m，壩頂軸線長(zhǎng)114.64 m。按壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除瀝青混凝土心墻外，大壩共分為5個(gè)區(qū)，分別為上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、上下游過渡層區(qū)、堆石排水帶和C20混凝土基座。結(jié)合工程實(shí)際情況，將計(jì)算壩體剖面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，見圖1。

圖1 象鼻咀瀝青混凝土心墻壩典型橫剖面(單位:m) Fig.1 Typical cross section of bitumen concrete core wall dam

2 計(jì)算方法和工況

2.1 塊體極限平衡法

土石壩壩坡的穩(wěn)定性計(jì)算主要考慮水位以上坡體的滲流壓力，而水位以下部分，將坡面以上水體視為一種有重度無強(qiáng)度的特殊材料[8-10]，本次壩坡穩(wěn)定計(jì)算擬采用瑞典法和畢肖普法[11,12]。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5395-2007)有關(guān)規(guī)定[13]，大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮水庫(kù)運(yùn)行中的各種不利組合，并對(duì)各種水位情況下做穩(wěn)定滲流計(jì)算和非穩(wěn)定滲流計(jì)算。

結(jié)合象鼻咀水庫(kù)的水位特征和實(shí)際運(yùn)行情況，本次壩坡穩(wěn)定計(jì)算考慮了大壩正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I。其中，正常運(yùn)用條件包括正常蓄水位和正常蓄水位正常降落至死水位2種工況，而非常運(yùn)用條件I包括竣工期、校核洪水位和校核洪水位非常降落至放空底板高程3種工況。

由于工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，可不考慮地震作用的影響。

3 計(jì)算參數(shù)獲取

通過對(duì)象鼻咀水庫(kù)土石壩心墻瀝青混凝土材料、配合比和性能試驗(yàn)進(jìn)行研究，并結(jié)合工程實(shí)際情況，推薦采用試驗(yàn)中8號(hào)配合比作為象鼻咀瀝青混凝土心墻的施工配合比。配合比材料和級(jí)配詳細(xì)參數(shù)如表1所示，礦料級(jí)配見表2，配合比級(jí)配曲線見圖2。

水穩(wěn)定性能試驗(yàn)是將同一批尺寸為φ100×100 mm的試件分2組，1組試件在60±1 ℃的水中浸泡48 h后，再在20±1 ℃的水中恒溫2 h，然后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)；另1組在20±1 ℃空氣中恒溫不少于48 h進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，2組抗壓強(qiáng)度之比為水穩(wěn)定系數(shù)。試驗(yàn)中變形速度為1.0 mm/min，8號(hào)配合比瀝青混凝土水穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

表1 推薦的正常氣溫條件下心墻瀝青混凝土配合比表Tab.1 Recommended mixture ratio of core wall asphalt concrete under normal temperature

表2 推薦配合比的礦料級(jí)配表Tab.2 Mineral aggregate grading table recommended of mix proportioning

圖2 推薦配合比級(jí)配曲線Fig.2 Recommend mixture ratio gradation curve

根據(jù)2組試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度結(jié)果，計(jì)算得到8號(hào)配合比水穩(wěn)定系數(shù)為1.12，水穩(wěn)定系數(shù)大于0.9，滿足DL/T5363-2016《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》的要求。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及地質(zhì)工作前期勘探資料，主要穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)取值采用試驗(yàn)參數(shù)見表3。

圖3 水穩(wěn)定試驗(yàn)曲線Fig.3 Water stability test curve

表3 象鼻咀水庫(kù)壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)建議值Tab.3 Proposed value for stability calculation of Trunk Tsui reservoir

4 壩坡穩(wěn)定性分析

4.1 堆石壩安全系數(shù)

分別采用瑞典法和畢肖普法計(jì)算了壩體在5種運(yùn)行工況時(shí)象鼻咀瀝青混凝土心墻壩上、下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，包含了大壩正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I，具體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。

分析表4可知：瑞典法和畢肖普法均基于剛體極限平衡理論，但采用非線性指標(biāo)時(shí)，畢肖普法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)比瑞典法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)平均提高了4.9%；而當(dāng)采用線性指標(biāo)時(shí)，畢肖普法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)比瑞典法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)平均提高了5.5%。這是由于畢肖普法相比瑞典法僅忽略了土條間切向作用力Xi的影響，假定土條底部滑動(dòng)面上的穩(wěn)定安全系數(shù)相同時(shí)，畢肖普法計(jì)算結(jié)果更加合理(后文均以畢肖普法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說明)。在所有工況下，采用非線性指標(biāo)計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)均明顯大于線性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，平均提高了6.4%。

為了評(píng)價(jià)非線性強(qiáng)度指標(biāo)和線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的差異，給出了兩種強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的壩坡滑弧對(duì)比，見圖4。以正常蓄水位時(shí)大壩上游壩坡為例。分析滑弧分布可知，非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的滑弧較深，而線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的滑弧相對(duì)更淺，僅在堆石壩表層發(fā)生滑動(dòng)。

根據(jù)工程實(shí)際情況，上游壩坡表面采用六棱塊護(hù)坡，壩坡發(fā)生淺層滑動(dòng)的概率相對(duì)較小，而主要以深層滑動(dòng)為主。因此，建議采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行堆石壩的壩坡穩(wěn)定性計(jì)算。

綜合表4中采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[13]，可見在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I各工況下上下游壩坡的安全系數(shù)均大于規(guī)范最小要求值(畢肖普法計(jì)算壩坡穩(wěn)定時(shí)，正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I規(guī)范最小值分別為1.35和1.25)，說明象鼻咀瀝青混凝土心墻壩壩體設(shè)計(jì)滿足土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表4 象鼻咀水庫(kù)壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果Tab.4 Results of stability safety factor of Trunk Tsui dam slope

圖4 非線性強(qiáng)度和線性強(qiáng)度指標(biāo)壩坡滑弧對(duì)比(正常蓄水位)Fig.4 Nonlinear and linear strength index of dam slope slip arc contrast (normal water storage)

4.2 竣工期及上游水位變化時(shí)的壩坡穩(wěn)定

計(jì)算得到了象鼻咀水庫(kù)大壩在竣工期時(shí)上、下游壩坡的危險(xiǎn)滑裂面分布位置(見圖5)，竣工期上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.46，而此時(shí)下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.58，下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)，但上、下游壩坡危險(xiǎn)滑裂面滑弧深度相近，起于坡頂，止于坡腳。由于該大壩上游壩坡和下游壩坡坡比均為1∶1.7，因此，上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的差異主要是由于下游壩坡在高程546.3 m處設(shè)有寬3 m的人行馬道，將下游壩坡分為2級(jí)，從而提高了下游壩坡的整體穩(wěn)定性。

圖5 竣工期壩坡滑裂面分布Fig.6 Distribution of slop surface of completion period

根據(jù)表4的結(jié)果可知，各工況下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)變化很小，基本在1.55～1.60之間變化，受庫(kù)水位變化的影響很小。而庫(kù)水位變化主要影響上游壩坡的穩(wěn)定性，圖6和圖7分別為正常蓄水位～死水位和校核洪水位～放空高程的壩坡危險(xiǎn)滑裂面分布。對(duì)于本文研究對(duì)象象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩，庫(kù)水位對(duì)壩坡的力學(xué)作用是影響其穩(wěn)定性的主要因素。

圖6 正常蓄水位～死水位壩坡滑裂面分布Fig.6 Distribution of sliding surface of normal reservoir ～ dead water level

圖7 校核洪水位～放空高程壩坡滑裂面分布Fig.7 Distribution of slop surface of check flood water ～ empty level

正常蓄水期(583 m)，在垂直坡面方向，上游庫(kù)水的靜水壓力擠壓壩坡，產(chǎn)生垂直于壩坡的推力，大部分堆石體被蓄水淹沒，淹沒部分存在水體入滲進(jìn)而產(chǎn)生浮力作用，抵抗了潛在滑裂面上部堆石體的自重，壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)浸潤(rùn)線以下填筑的堆石體采用浮重度，上游壩坡整體穩(wěn)定性提高明顯，此時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)比竣工期的穩(wěn)定安全系數(shù)提高約6.2%。

庫(kù)水位由正常蓄水位583 m驟降至死水位554 m時(shí)(按10 d計(jì)算)，伴隨著上游壩坡前庫(kù)水位的下降，壩體內(nèi)潛水位也隨之下降，滲流計(jì)算的浸潤(rùn)線分布見圖6，可見不同時(shí)刻上游壩坡內(nèi)的浸潤(rùn)線基本與上游水面線齊平，不存在潛水位滯后的情況。分析原因，主要是因?yàn)橄蟊蔷锥咽瘔味咽系脑O(shè)計(jì)指標(biāo)最大粒徑不超過800 mm，干密度2.11 t/m3，主要采用弱風(fēng)化～新鮮砂巖，最大粒徑控制為800 mm，小于5 mm含量5%～15%，小于0.075 mm含量不大于5%，滲透系數(shù)控制為大于1×10-1cm/s，說明堆石料滲透性很好。在此工況下上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.47，說明庫(kù)水位由正常蓄水位583 m驟降至死水位554 m時(shí)壩坡穩(wěn)定性好。

當(dāng)庫(kù)水位由校核洪水位583.70 m驟降至放空底板高程533 m時(shí)(按20 d計(jì)算)，此時(shí)的瞬時(shí)浸潤(rùn)線同樣與上游水面線齊平，不存在潛水位滯后的情況，見圖7。此時(shí)上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)減小到1.31，比正常蓄水位時(shí)上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)減小了10.3%。此工況下的滑裂面位于上游壩坡坡腳。

5 結(jié) 語

通過對(duì)象鼻咀瀝青混凝土心墻壩材料進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)，獲得了較為可靠的壩料各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，采用極限平衡法計(jì)算分析了象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I等5種工況下的壩坡穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論。

(1)在所有運(yùn)行工況下，象鼻咀瀝青混凝土心墻壩上、下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范最小要求值，象鼻咀瀝青混凝土心墻壩壩體設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

(2)采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行象鼻咀堆石壩壩坡穩(wěn)定性計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)大于線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)，且采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的壩坡滑弧更符合實(shí)際情況，建議采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

(3)象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩壩殼料滲透系數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)大于1×10-1cm/s，堆石料滲透性好，壩體堆石料內(nèi)不存在潛水位滯后的情況，說明即使在最不利的水位驟降工況下，該壩體的穩(wěn)定性仍然較好。

(4)象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩填筑材料多為弱風(fēng)化砂巖，易受水體侵蝕影響，建議在蓄水使用階段采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩已于2014年6月整體完工并進(jìn)行試蓄水，截至目前，壩后滲漏量較小，壩坡穩(wěn)定性良好，水庫(kù)樞紐工程保持正常運(yùn)行。

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