臨淮崗水利工程南副壩穩定性分析

趙雯雯

（山東省臨沂市劉家道口樞紐工程供水管理處，山東 臨沂 276000）

1 引言

水利工程建設具有重要的防洪、發電作用，是一項重要的民生工程。水利工程建筑的穩定性對確保水利工程的正常使用具有重要的意義。李德群等[1]對黃河某地水庫蓄水后，土壩中裂縫的形成機理進行分析，認為多種原因造成了土壩中裂縫的形成，主要包括土體自身性質和施工質量。王開拓等[2]使用數值模擬方法對水位下落時土石壩的滲流場穩定性以及壩坡穩定性進行分析，結果表明隨著水位下降壩坡穩定性情況表現為“降低—回升—平緩”的過程。岑威鈞等[3]、張繼勛等[4]使用有限元數值模擬的方法研究土工膜缺陷時土石壩的滲流場特征以及壩坡的穩定性情況，認為土工膜結構的完整性對壩坡穩定性具有較大的影響作用。楊杰等[5]使用有限元數值模擬方法對書庫蓄水后邊坡穩定性進行分析，取得了較好的計算結果，可為實際工程提供參考。駱辛磊[6]對潰壩的成因進行分析，認為多種原因引起了大壩的潰決，且大壩潰決將會造成難以估量的損失，需要提前做好防治預案。尹吉娜等[7]、王冬林等[8]、徐楊軍等[9]、吳傳余[10]使用多種方法對庫水位下降時岸坡的穩定性進行研究，認為水位下降過程中，岸坡的穩定性是一個動態的變化過程。

引起壩坡穩定性變化的因素眾多，本文在前人研究的基礎上對臨淮崗水利工程南副壩穩定性進行研究。

2 工程背景

臨淮崗水利工程是淮河流域的一項重要水利工程，是國家“十五”計劃項目也是治淮19項骨干工程之一，地處霍邱縣和潁上縣相接位置的臨淮崗，涉及兩省（安徽省、河南省）。臨淮崗水利工程主體工程穿越安徽省三個縣（霍邱縣、潁上縣、阜南縣），流域控制面積可達4萬多km2，是一項等大（1）型工程。工程按照百年一遇的洪水設計，滯洪80多億m3，使用千年一遇的洪水標準進行校核，滯洪120多億m3。工程設計標準滿足使用要求。臨淮崗從2001年開始動工至2006年主體工程通過驗收。

3 水位變化過程中南副壩穩定性特征

3.1 數值模擬基本原理

滲流滿足達西定律，其基本原理如下：

式中：Q表示滲流量；A為垂直水流方向的截面積；h1-h2表示水頭差；L表示滲流長度。

各個方向上的滲流速率為 vx、vy、vz：

式中：H表示水頭；kx、ky、kz分別表示不同方向的滲透系數。

3.2 模型建立和參數選取

臨淮崗大壩由主壩和南、北副壩組成，全長77.51 km。主壩長8.54 km，壩頂寬10 m，壩頂高程31.7 m。南副壩修葺材料為土，是一座均質土壩。南副壩全長8.41 km。壩頂高程為32.15 m，壩頂寬度為6 m~8.5 m，最大的壩高為11.0 m，迎水坡、背水坡坡比均為1∶3。2002年10月臨淮崗南副壩開始動工，2005年8月完成施工工作。

圖1 臨淮崗水利工程南副壩

采用GEO-SLOPE軟件中的滲流模塊（SEEP/W）進行數值模擬計算。該模塊目前廣泛應用于飽和—非飽和滲流計算中，通過現場調查選取計算參數。

根據南副壩的尺寸規模建立二維數值模擬模型，模型總長37 m，高為13 m，其中南副壩凈高11 m。模型采用均質材料。在天然工況下（正常蓄水位）情況下，地下水位與庫水位高程基本保持水平狀態。

圖2 數值模擬模型

表1 數值模擬參數取值

3.3 天然工況下水位上升過程中南副壩穩定性變化情況

模擬天然工況下，庫水位從1 m上升至10 m的過程中，南副壩穩定性的動態變化過程，水位上漲速度為0.6 m/d。穩定性系數動態變化過程如圖3所示。

在該工況下南副壩穩定性系數最小為1.06，南副壩穩定性較好，穩定性系數呈現出先減小后增大的變化趨勢。穩定性系數先減小是因為在地下水位上升的過程中，南副壩坡腳遭受庫水浸泡，穩定性系數降低，當水位到達6 m時，南副壩穩定性到達最低值，隨后隨著庫水水位的上升，南副壩穩定性系數又緩慢提高，水壓力對于南副壩的穩定性具有一定的促進作用，有利于提高南副壩的穩定性。

圖3 水位上升過程中南副壩穩定性變化

3.4 天然工況下水位下降過程中南副壩穩定性變化情況

在水位上升到10 m后，保持3天的穩態，發現南副壩穩定性系數相對減小，為1.18，這是因為隨著庫水的入滲，南副壩坡體內部達到飽和狀態，有效應力降低，南副壩穩定性系數產生相應的降低，但整體穩定性仍然相對較好。

保持穩態狀態結束后，模擬庫水位下降過程中南副壩的穩定性情況。模擬水位從10 m逐漸回落至1 m，水位下降速率仍然為0.6 m/d。穩定性系數動態變化過程如圖4所示。

在該工況下南副壩穩定性系數最小為1.05，南副壩穩定性較好，穩定性系數呈現出先減小后增大的變化趨勢。當水位到達6 m時，南副壩穩定性到達最低值，隨后隨著庫水水位的下降，南副壩穩定性系數又緩慢提高。水位下降過程中，南副壩巖土體處于飽和狀態，水位的下降造成水壓力減小，但坡體內部的水并未完全排出，巖土體處于飽和狀態，抗滑力小、下滑力大穩定性較差，隨著水位的繼續下降，南副壩中的水逐漸排出，南副壩穩定性得到相應的提升，但穩定性較蓄水前相對較低。

圖4 水位下降過程中南副壩穩定性變化

4 結論

（1）水利工程是重要的民生工程，具有重要的工程經濟效益。臨淮崗水利工程的修建對庫區流域范圍內的重要交通干線、工業場區、國家資源以及居民的安全生產生活具有重要的意義。

（2）在水位上升階段的初期，庫水軟化坡腳造成南副壩穩定性系數下降，隨著水位上升，水對南副壩產生水壓力增加了南副壩的穩定性系數。

（3）在水位下降過程中，南副壩穩定性系數先減小，水位下降南副壩壩體中的水并未完全排出，造成壩體抗滑力減小，下滑力增大，隨著水位逐漸下降，南副壩的穩定性系數逐漸回升。

（4）水位上升、下降過程中，臨淮崗南副壩穩定性較好，滿足要求。