縱向增強(qiáng)體新型土石壩穩(wěn)定性研究

侯奇東， 梁 軍， 李海波， 戚順超

(1. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2.四川省水利廳， 四川 成都 610016； 3.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院， 四川 成都 610065)

1 研究背景

土石壩因其對(duì)地質(zhì)地形條件適應(yīng)性強(qiáng)、壩體材料可從當(dāng)?shù)孬@取，以及施工方法成熟等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外受到廣泛應(yīng)用[1]。圖1展示了世界范圍及四川省內(nèi)的壩型及規(guī)模統(tǒng)計(jì)。國際大壩委員會(huì)針對(duì)全世界59071座典型大壩的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，土石壩占比達(dá)到65%。我國西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，且受到地震影響，建壩條件差，土石壩則更加受到學(xué)者們的關(guān)注。四川省水利普查公報(bào)顯示，截至2013年，四川省土壩數(shù)量占比達(dá)88%。事實(shí)上，土壩只是土石壩的一種，若將堆石壩、漿砌石壩也計(jì)入土石壩范疇，其占比將更高。由此可見，土石壩應(yīng)用的廣泛程度及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響程度遠(yuǎn)非其他壩型可比。我國已建大壩以小型壩為主，統(tǒng)計(jì)顯示，四川省小型壩占比超過96%。綜上所言，在我國西南地區(qū)，絕大多數(shù)大壩為小型土石壩，其安全與穩(wěn)定舉足輕重。

另一方面，此類小型土石壩多建于20世紀(jì)60、70年代，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件不完善的制約，現(xiàn)如今不少壩體存在滲漏、開裂、滑坡、白蟻侵蝕等隱患[2]。因此，改造和維護(hù)工作勢(shì)在必行。然而大壩數(shù)量頗多，維護(hù)工作繁瑣且難以開展，若拆除重建，造價(jià)與工期又大大增加。

針對(duì)上述問題，相關(guān)學(xué)者提出了一種新型土石壩的修建思路：先整體填筑壩體，隨后中間掏槽澆筑混凝土心墻作為防滲體，謂之縱向增強(qiáng)體土石壩[3]。圖2展示了縱向增強(qiáng)體土石壩設(shè)計(jì)原理。所謂縱向增強(qiáng)體，指的是作為剛性結(jié)構(gòu)體的混凝土心墻，其貫穿整個(gè)土石壩壩體中部，底部插入基巖并結(jié)合帷幕灌漿達(dá)到防滲目的。為緩解變形不協(xié)調(diào)問題，在壩殼料與心墻之間設(shè)置過渡料，如圖2所示。此新壩型的最大創(chuàng)新之處在于將防滲墻技術(shù)運(yùn)用于整個(gè)壩體，并通過理論研究將剛性防滲墻從單一的防滲體上升為可抵抗變形的結(jié)構(gòu)體[4]，從而帶來土石壩防滲技術(shù)、施工方法與安全性能的變革。

據(jù)此方法，對(duì)于有隱患須改造的土石壩，無須拆除原壩體，直接在老壩基礎(chǔ)上加固或加高，隨后再掏槽澆筑混凝土心墻，則效率提升，事半功倍。再者，縱向增強(qiáng)體土石壩施工工藝簡(jiǎn)單、工序簡(jiǎn)捷，壩體填筑不受心墻施工的影響，施工速度更快。在壩區(qū)無滿足要求的黏土心墻料，且工期緊、投資省的情況下，新壩型具有推廣意義。綜上，相對(duì)于傳統(tǒng)黏土心墻壩，以及工藝繁復(fù)容易因控制不當(dāng)而出現(xiàn)變形開裂、水力劈裂的瀝青混凝土心墻壩[4-5]，縱向增強(qiáng)體土石壩都更具優(yōu)勢(shì)。

位于四川省通江縣的方田壩水庫是國內(nèi)首例采用縱向增強(qiáng)體土石壩的工程，目前已竣工，也有相關(guān)的設(shè)計(jì)總結(jié)[6]，但均屬初步研究。對(duì)于這一沒有采用傳統(tǒng)黏土心墻的土石壩，其防滲效果也尚未得到實(shí)際蓄水的檢驗(yàn)。而在柔性壩殼料中插入剛性心墻這一思路，必然帶來不可忽視的變形協(xié)調(diào)性問題，進(jìn)而可能誘發(fā)心墻開裂的不利情況；另外，此新型土石壩抵抗水力劈裂的能力也缺乏相關(guān)研究。因此，新壩型的合理性亟需相關(guān)科研和工程人員的深入探討。針對(duì)以上問題，本文將基于方田壩水庫實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)縱向增強(qiáng)體新型土石壩的穩(wěn)定性展開研究；同時(shí)，由于新壩型的壩坡坡比缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和相似的工程可借鑒，本文也將對(duì)其可優(yōu)化性展開討論。

2 方田壩水庫工程概況

方田壩水庫位于小通江河右岸一級(jí)支流馮家溝上游河段，壩址位于通江縣民勝鎮(zhèn)方山村境內(nèi)，距通江縣城約8.0 km。工程原為小(2)型水庫，大壩為粘土心墻壩，壩頂高程556.60 m，壩高約15 m。后根據(jù)相關(guān)規(guī)劃、水庫建設(shè)條件以及周邊綜合利用要求，將其擴(kuò)建為具有城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用功能，并作為抗旱應(yīng)急水源的小(1)型水庫。水庫大壩在原大壩基礎(chǔ)之上加高，采用C25剛性混凝土作為防滲心墻。

擴(kuò)建后大壩正常蓄水位577.50 m，壩頂高程581.00 m，壩頂寬6.0 m，壩頂軸線長(zhǎng)365.00 m，最大壩高41.50 m。混凝土心墻位于壩體中部偏上游1.5 m，心墻厚0.80 m。施工時(shí)，大壩先整體填筑壩殼料至575.00 m高程，利用該高程上寬為31.50 m平臺(tái)作為混凝土心墻的施工平臺(tái)，然后通過中間掏槽、泥漿固壁的工藝澆筑防滲心墻。575.00 m高程至壩頂采用現(xiàn)澆混凝土心墻，兩種施工方式的心墻之間采用鋼筋連接。

3 縱向增強(qiáng)體新型土石壩穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 分階段建模

選取方田壩水庫大壩的典型橫斷面進(jìn)行建模時(shí)，為使結(jié)果更客觀，充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工次序，分為5個(gè)階段，分別為：尚未填筑、填筑至575 m高程、混凝土心墻掏槽澆筑、壩體填筑至壩頂、蓄水，如圖3所示。隨后即采用Phase2軟件對(duì)壩體及心墻的安全性進(jìn)行有限元(Finite Element Method)分析。模型采用3節(jié)點(diǎn)的三角形單元，并設(shè)置為變密度網(wǎng)格，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 578，總單元數(shù)為1 8174。壩體表面為自由邊界，左右兩側(cè)約束水平方向，底部約束水平及豎直方向。壩體各部分材料基于摩爾-庫侖理論的計(jì)算參數(shù)見表1。需要注意的是，強(qiáng)度參數(shù)在蓄水后有一定的折減。相關(guān)學(xué)者已對(duì)巖石浸水后強(qiáng)度降低的性能，也即巖石的軟化性進(jìn)行了研究，并且指出吸水能力強(qiáng)的巖石受水的侵蝕作用更大[7-8]。另一方面，壩體堆石料為散粒體結(jié)構(gòu)，若將其看作非飽和土體，根據(jù)非飽和土力學(xué)，其抗剪強(qiáng)度也會(huì)隨含水率上升而下降[9]。

圖1 世界及四川省內(nèi)壩型及規(guī)模統(tǒng)計(jì)

圖2 縱向增強(qiáng)體土石壩設(shè)計(jì)原理

在依托上述理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)，本文計(jì)算有水作用時(shí)，砂泥巖堆石料的折減系數(shù)為0.8，其余受水影響的壩體材料的折減系數(shù)為0.9，基巖、混凝土心墻以及未接觸水的壩體材料不折減。

圖3 壩體分階段建模

3.2 滲流穩(wěn)定分析

對(duì)于土石壩而言，良好的防滲效果是其維持穩(wěn)定和發(fā)揮功用的前提，因此滲流穩(wěn)定也是最核心的問題。方田壩的滲流模擬結(jié)果如圖4所示。其中，右上角的空白部分表示負(fù)孔隙水壓力，可以理解為基質(zhì)吸力[10-11]，也即右上角土體處于非飽和狀態(tài)，位于自由水面以上。顯然，壩體孔隙水壓力分布呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)土石壩顯著不同的特征：壩體浸潤線在心墻處急劇下降。混凝土心墻雖只有80 cm厚，但因其滲透系數(shù)極小，幾乎不透水，浸潤線直接從上游水位下降至心墻底部約539.00 m高程處。此后浸潤線近似水平，直接經(jīng)堆石排水帶和堆石棱體進(jìn)入下游。

圖4 壩體孔隙水壓力模擬云圖

由此可見，混凝土心墻的防滲效果極佳，下游壩殼料幾乎免受滲透水流的作用，從而規(guī)避了困擾傳統(tǒng)土石壩的流土、管涌等滲透破壞問題，也為工程的順利運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

3.3 心墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

縱向增強(qiáng)體土石壩的最大創(chuàng)新之處在于揚(yáng)棄了黏土防滲心墻，在壩體填筑完成后通過掏槽澆筑混凝土心墻防滲。上節(jié)的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)表明，新壩型的防滲效果是不足為慮的。其真正的問題在于：混凝土材質(zhì)的心墻在楊氏模量上與兩側(cè)堆石體差異頗大，超過兩三個(gè)數(shù)量級(jí)，壩體在沉降過程中，必然會(huì)有變形不協(xié)調(diào)的問題；同時(shí)蓄水期在上游靜水壓力的推動(dòng)下，心墻難免會(huì)產(chǎn)生撓曲。然而混凝土材料抗壓不抗拉，一旦心墻因變形產(chǎn)生拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，則防滲效果陡降，大壩安全風(fēng)險(xiǎn)劇增。

計(jì)算完成后，本文選取心墻中心軸進(jìn)行變形分析。參考3.1節(jié)的分階段建模可知，心墻在第3階段完成澆筑(圖3(c))，則心墻變形分析應(yīng)以第3階段為基準(zhǔn)計(jì)算相對(duì)變形。結(jié)果顯示，心墻沉降值很小，在1 cm左右，研究的重點(diǎn)應(yīng)是水平變形。圖5清晰地顯示了心墻水平變形隨著蓄水水位抬升的變化規(guī)律：竣工期幾乎無變形，蓄水后在靜水壓力的推動(dòng)下，同時(shí)受到底部基巖、兩側(cè)土壓力的作用，呈現(xiàn)出從底部到頂部逐漸增加的“J”型的撓曲；同時(shí)隨著蓄水水位的抬升，水平變形略有增加。

顯然，混凝土心墻在蓄水后出現(xiàn)了撓曲變形，上下游邊界可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。為驗(yàn)證猜想，在此分別選取了心墻上、下游邊界的大、小主應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖6所示(圖中以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù))。最大壓應(yīng)力體現(xiàn)在大主應(yīng)力中，而拉應(yīng)力則體現(xiàn)在小主應(yīng)力中。分析主應(yīng)力可知，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在心墻上游邊界約541 m高程處，蓄水后在水壓力影響下明顯增大，且隨蓄水水位的抬升而緩慢增加，校核洪水位時(shí)達(dá)到最大值3 340 kPa，但仍不足以對(duì)心墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生威脅。而拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在心墻下游邊界，并且隨著蓄水水位的抬升，拉應(yīng)力有所增大。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在539.5 m高程，校核洪水位工況時(shí)達(dá)到最大值-174.01 kPa。最大壓應(yīng)力與拉應(yīng)力幾乎出現(xiàn)在同一高程，正好驗(yàn)證了圖5中的心墻變形規(guī)律，即心墻的“J”型撓曲導(dǎo)致下游出現(xiàn)拉應(yīng)力。不過，拉應(yīng)力尚小，在可控范圍內(nèi)；且拉應(yīng)力出現(xiàn)位置在填筑料底部，即使此處防滲效果驟減，對(duì)于大壩整體防滲效果的影響也有限。

圖7展示了混凝土心墻的拉應(yīng)力出現(xiàn)位置及其受力變形特性。進(jìn)一步觀察可知，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在心墻下游斷面覆蓋層與過渡料的分界處。對(duì)于這一規(guī)律，本文提出4點(diǎn)原因：

(1)心墻底部插入基巖，近似于固定端，幾乎無變形；

(2)靜水壓力隨水深增加而增加，因此心墻下部出現(xiàn)較大彎曲，上部近似豎直；

(3)上、下游兩側(cè)土壓力對(duì)心墻中上部變形的限制作用；

(4)覆蓋層與過渡料彈性模量差異較大，心墻在分界處上下發(fā)生變形的容易程度不同。

在上述4個(gè)影響因素的綜合作用下，心墻下游會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拉應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)(圖7中已標(biāo)出)。然而，數(shù)值模擬的結(jié)果表明水平總變形較小(圖5)，變形所致的心墻拉應(yīng)力不足以威脅壩體結(jié)構(gòu)。其中，心墻兩側(cè)土壓力的作用對(duì)于維持變形不至于過大最為關(guān)鍵。在竣工期心墻幾乎沒有水平變形，因此，兩側(cè)堆石體施加的力可以看作靜止土壓力。蓄水后，心墻向下游變形，上游堆石體作用轉(zhuǎn)化為主動(dòng)土壓力，下游則轉(zhuǎn)化為被動(dòng)土壓力[12](圖7)。此時(shí)被動(dòng)土壓力的量值大于主動(dòng)土壓力，且被動(dòng)土壓力隨著墻體向下游位移的增大會(huì)繼續(xù)增大[13-15]，如圖8中墻體位移與土壓力的關(guān)系曲線所示。這一規(guī)律很好地限制了混凝土心墻的水平變形，也將心墻下游出現(xiàn)的拉應(yīng)力控制在可接受的范圍。

圖5 蓄水后不同蓄水位心墻水平變形隨高程的變化

表1 壩體各部分材料計(jì)算參數(shù)取值

注：Q4al+pl為沖積洪積堆積層； Q4del為地滑堆積層； Q4s為人工堆積層。

圖6 不同蓄水位心墻上、下游邊界大、小主應(yīng)力隨高程變化

圖7 蓄水期心墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

圖8 墻體位移與土壓力關(guān)系曲線

3.4 水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)于傳統(tǒng)土石壩而言，水力劈裂問題是一重大隱患。同時(shí)，傳統(tǒng)黏土心墻與壩殼料之間也存在變形協(xié)調(diào)問題，若壩殼料沉降完成后心墻仍在沉降，壩殼料就會(huì)支撐心墻產(chǎn)生“拱效應(yīng)”，加劇水力劈裂的風(fēng)險(xiǎn)[16]。簡(jiǎn)而言之，水力劈裂就是水壓力超過土體中的應(yīng)力而將土體劈開的現(xiàn)象[17]。因此，眾多水力劈裂的判定準(zhǔn)則都是基于水壓力與土中應(yīng)力的關(guān)系而得。這樣的判定方法對(duì)于黏土心墻適用，對(duì)于混凝土心墻卻相差甚遠(yuǎn)。原因在于：與黏土相比，混凝土材質(zhì)的心墻是具有抗拉強(qiáng)度的。因此，本文采用黃文熙[18]提出的判定準(zhǔn)則：如果心墻某點(diǎn)上的豎直方向主應(yīng)力(σy)與土的抗拉強(qiáng)度之和小于該點(diǎn)處的孔隙水壓力，心墻就會(huì)因水力劈裂產(chǎn)生裂縫。采用此方法，在正常蓄水位下的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。圖9還簡(jiǎn)明表示了心墻水力劈裂的過程。顯然，孔隙水壓力遠(yuǎn)小于豎直方向主應(yīng)力σy與心墻抗拉強(qiáng)度之和，也即孔隙水壓力不足以沿垂直于σy的方向“劈開”心墻，如圖9所示。因此，混凝土心墻在抵抗水力劈裂方面有顯著優(yōu)勢(shì)。在壩高較小時(shí)，蓄水水位不足以提供過大的孔隙水壓力，從而幾乎免除了水力劈裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)分析

4 縱向增強(qiáng)體新壩型壩坡坡比可優(yōu)化性探討

4.1 工況設(shè)置

通過上節(jié)的數(shù)值模擬結(jié)果可知，基于方田壩工程所建立的實(shí)例模型安全穩(wěn)定性良好。但作為縱向增強(qiáng)體新型土石壩，其壩坡坡比是否可以優(yōu)化，即是否可采用更陡的壩坡比，從而節(jié)省建筑材料、提高施工效率還不明確，也沒有相關(guān)規(guī)范和相似工程可借鑒。因此，在方田壩水庫大壩模型的基礎(chǔ)上，本節(jié)將分4種工況對(duì)縱向增強(qiáng)體土石壩的最優(yōu)壩坡坡比展開探討。具體工況設(shè)置見表2。其中，工況0即為方田壩工程實(shí)際的壩坡坡比，其作為一個(gè)參照工況參與分析。其余3種工況即在工況0的基礎(chǔ)上改變壩坡坡比所得，壩高以及壩體材料等均保持一致，計(jì)算模型參見圖10。

表2 工況設(shè)置

注：工況0中，下游壩坡坡比在第1級(jí)馬道以上為1∶2，之下為1∶2.25。

4.2 壩坡穩(wěn)定性對(duì)比

壩坡變陡后，首先考慮到壩坡作為一種土質(zhì)邊坡，其安全性必然變差。而壩坡穩(wěn)定是土石壩整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，穩(wěn)定的壩坡是土石壩壩體牢固屹立于河道之中的保證。因此，本節(jié)依托Flac3D軟件，通過有限差分法(Finite Difference Method)，并按照強(qiáng)度折減法計(jì)算壩坡的安全系數(shù)[19]。在每一種工況下，分別考慮竣工期、正常蓄水以及水位驟降下的安全系數(shù)。其中水位驟降為假想狀態(tài)：即上游水位從正常蓄水位577.5 m驟降至564.4 m，上游壩坡內(nèi)水位來不及下降，壩坡內(nèi)和壩坡外形成水位差。在水庫的運(yùn)行過程中，這一狀態(tài)是有可能存在的。進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定心墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，足以發(fā)揮正常防滲作用。

計(jì)算過程中可以發(fā)現(xiàn)，上游覆蓋層相對(duì)較厚，以致施工完建后上游沉降較多，因此竣工期上游壩坡相對(duì)更危險(xiǎn)；而蓄水后，盡管上游壩體材料的強(qiáng)度參數(shù)會(huì)因浸泡有所軟化，但孔隙水壓力的作用有利于其保持穩(wěn)定[20]，下游壩坡卻由于靜水壓力的推動(dòng)而更為危險(xiǎn)；當(dāng)發(fā)生水位驟降時(shí)，壩坡內(nèi)和壩坡外形成水位差，產(chǎn)生指向壩坡外的滲流，因此上游壩坡安全形勢(shì)惡化[21-23]。安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表3，其數(shù)值為分別計(jì)算各工況上下游壩坡后得出的最不利值。因此，竣工期和水位驟降狀態(tài)下展示的是上游壩坡的安全系數(shù)，而正常蓄水時(shí)則為下游壩坡的安全系數(shù)。顯然，壩坡安全系數(shù)隨坡度變陡而減小，并且水位驟降為壩坡穩(wěn)定最不利的狀態(tài)。最大剪應(yīng)變?cè)隽靠梢苑从吵鰸撛诨瑒?dòng)面的位置[24]。圖10展示了各工況在水位驟降時(shí)的最大剪應(yīng)變?cè)隽浚蓤D10可以發(fā)現(xiàn)，隨著壩坡逐漸變陡，潛在滑動(dòng)面逐漸貫通，安全系數(shù)自然隨之減小，工況3時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最小值1.48(表3)。

4.3 心墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)比

壩坡坡比改變后，除了壩坡自身的穩(wěn)定性，另一個(gè)亟需關(guān)注的問題是心墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。上節(jié)的分析結(jié)果表明：心墻之所以能維持相對(duì)較小的變形和可接受范圍內(nèi)的拉應(yīng)力，是由于下游堆石體被動(dòng)土壓力的限制。而當(dāng)壩坡坡比改變后，下游堆石體的形態(tài)和質(zhì)量都發(fā)生了改變，心墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有待驗(yàn)證。同樣采用有限元法對(duì)比分析后，得出正常蓄水位下，心墻水平變形結(jié)果如圖11所示：顯然，壩坡越陡，蓄水后心墻水平變形越大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，無收斂跡象。結(jié)合上節(jié)對(duì)于心墻水平變形的分析，即可得出推論：壩高及蓄水水位一定時(shí)，下游壩坡越陡，心墻在上游水壓力推動(dòng)下發(fā)生相同的水平位移時(shí)，受到的被動(dòng)土壓力越小。換言之，壩坡越陡，心墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越得不到保證。同時(shí)可見，壩坡越陡，心墻撓曲變形的曲率越大，心墻內(nèi)應(yīng)力的波動(dòng)也更大。通過上節(jié)的分析已知：心墻拉應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在下游邊界。因此，選取4種工況下心墻下游邊界的小主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖12所示。由圖12可看出，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在同一高程(539.5 m高程)，且隨壩坡變陡而逐漸增大。壩坡變陡帶來的增大效應(yīng)顯著，工況1相對(duì)于工況0拉應(yīng)力增長(zhǎng)了4.2倍，工況2相對(duì)于工況1增長(zhǎng)了1.3倍，工況3相對(duì)于工況2增長(zhǎng)了0.6倍。當(dāng)壩坡坡比升至1∶1.5時(shí)，最大拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到-877.7 kPa。

表3 各工況不同狀態(tài)下壩坡安全系數(shù)

4.4 可優(yōu)化性探討

根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[25]，方田壩作為小(1)型水庫，壩坡安全系數(shù)不應(yīng)小于1.25。規(guī)范中的安全系數(shù)雖是依據(jù)極限平衡法所得，但有學(xué)者指出其數(shù)值與按強(qiáng)度折減法所得之值相差不大[26]，因此可作為參考。由于表3中的安全系數(shù)均大于規(guī)定的最小值，所以壩坡穩(wěn)定性在各工況下都可以得到保證。另一方面，心墻下游邊界拉應(yīng)力隨壩坡變陡而逐漸增大，工況3時(shí)達(dá)到最大值-877.7 kPa。壩坡變陡后拉應(yīng)力增長(zhǎng)雖快，但其值仍在可接受的范圍內(nèi)，且均只出現(xiàn)在填筑料底部，對(duì)壩體威脅有限。綜上所述，數(shù)值模擬的結(jié)果表明，壩坡優(yōu)化、坡度變陡在理論上是可行的。

圖10 水位驟降時(shí)各工況壩體最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖11不同工況下的心墻水平變形 圖12不同工況下心墻拉應(yīng)力垂向分布

然而，在復(fù)雜的自然環(huán)境下，實(shí)際運(yùn)行過程中必然存在大量威脅大壩穩(wěn)定的不確定性因素，而壩坡變陡帶來的心墻拉應(yīng)力快速增長(zhǎng)可能孕育更多的潛在威脅，這些都難以通過計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確而全面地模擬。縱向增強(qiáng)體土石壩作為一種新壩型，工程經(jīng)驗(yàn)極其缺乏，又沒有相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可借鑒。其壩坡能否真正維持穩(wěn)固、心墻能否保證不開裂，都有待方田壩水庫實(shí)際蓄水運(yùn)行的檢驗(yàn)。因此，方田壩水庫作為開拓性的首例采用新壩型的工程，并未選擇壩坡優(yōu)化、坡度變陡，而是選擇了一種更為穩(wěn)妥的方案，從而留有足夠的安全儲(chǔ)備。不過隨著土石壩理論和工程技術(shù)的發(fā)展，新壩型因其工序省、效率高等優(yōu)點(diǎn)必然會(huì)得到推廣。而隨之獲取的豐富監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及積累的新壩型工程經(jīng)驗(yàn)，將使得壩坡比的優(yōu)化真正得到應(yīng)用。

5 結(jié) 論

本文基于方田壩水庫工程實(shí)例，結(jié)合數(shù)值模擬方法，對(duì)混凝土心墻縱向增強(qiáng)體新型土石壩的穩(wěn)定性展開了研究，并對(duì)新壩型壩坡比的優(yōu)化展開了探討。研究結(jié)果表明：

(1)混凝土心墻的防滲效果顯著，下游壩殼料幾乎免受滲透水流的作用，從而在一定程度上規(guī)避了困擾傳統(tǒng)土石壩的流土、管涌等滲透破壞問題；

(2)蓄水后在靜水壓力、土壓力、底部基巖和覆蓋層的綜合影響下，心墻呈現(xiàn)“J”型撓曲，從而在下游邊界產(chǎn)生拉應(yīng)力。但拉應(yīng)力尚小，在可控范圍內(nèi)；且拉應(yīng)力出現(xiàn)位置在填筑料底部，即使此處出現(xiàn)裂縫，大壩整體防滲效果遭到破壞性影響的可能性也較小；

(3)混凝土心墻在抵抗水力劈裂方面有顯著優(yōu)勢(shì)，在壩高較小時(shí)，很大程度上減緩了水力劈裂的風(fēng)險(xiǎn)；

(4)壩坡優(yōu)化、坡度變陡在理論上雖然可行，但需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。因此，方田壩水庫作為首例采用新壩型的工程，為穩(wěn)妥起見并未優(yōu)化壩坡。隨著經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)提升，新壩型壩坡的優(yōu)化有機(jī)會(huì)在將來得到應(yīng)用。

綜上所述，在壩高較小，且維持合理而安全的壩坡坡比，并保證施工質(zhì)量的前提下，縱向增強(qiáng)體土石壩具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性。