不同工況下均質(zhì)土壩壩坡穩(wěn)定性研究

白閏平 劉海宇 谷宏海

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

土壩由于筑壩材料的取材方便和相對(duì)造價(jià)低廉兩個(gè)主要原因，成為了應(yīng)用較為廣泛的一種水庫(kù)樞紐建筑物[1,2]。關(guān)于土壩方面的研究，土壩的安全一直是研究重點(diǎn)。在水庫(kù)運(yùn)行期間，土壩的壩坡穩(wěn)定對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此壩坡穩(wěn)定也是土壩設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[3-7]。1970年，江西七一水庫(kù)在引水隧洞施工期因采用巖塞爆破而無(wú)法控制庫(kù)水位的降落速度，左、右壩段上游面相繼發(fā)生滑坡[3,4]。1979年，湖北省獅子巖土石壩，因發(fā)現(xiàn)漏水而決定放空水庫(kù)，隨后上游壩坡受庫(kù)水位驟降影響產(chǎn)生滑坡[3,4]。文中筆者將針對(duì)穩(wěn)定滲流期、施工期、水位驟降期和正常運(yùn)行遇地震的幾種工況下對(duì)均質(zhì)土壩的壩坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而研究不同工況下土壩的壩坡穩(wěn)定。

2 基本資料

文中均質(zhì)土壩的壩頂高程為1 019.0 m，最大壩高38.0 m，壩頂總長(zhǎng)218.96 m，壩頂寬度為7 m，最大壩底寬215 m；上游壩坡為1∶3.0；下游壩坡1∶2.5，在高程1 004.0 m、高程989.0 m兩處設(shè)寬2.0 m的馬道，排水棱體頂高程985.0 m，頂寬2 m，下游坡比為1∶2.0。

針對(duì)不同工況給出計(jì)算參數(shù)如下：

1)施工期。本工況計(jì)算參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)類比確定。各分區(qū)材料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表(一)

2)正常運(yùn)行期(穩(wěn)定滲流期)。本工況計(jì)算參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)類比獲取。各分區(qū)材料計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表(二)

3)水位驟降期。本工況計(jì)算參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)類比獲取。各分區(qū)材料計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表(三)

3 計(jì)算原則和基本假定

文中采用剛體極限平衡分析法進(jìn)行計(jì)算。基本假定如下：

1)破壞準(zhǔn)則：摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則；2)孔隙水壓力：根據(jù)浸潤(rùn)線的位置按簡(jiǎn)化原則確定。假定流場(chǎng)的等勢(shì)線鉛直，某點(diǎn)的孔隙水壓力的水頭等于該點(diǎn)至浸潤(rùn)線與該點(diǎn)至坡外水位的鉛直距離差；3)坡外水位：坡外水位以下的那部分土體的自重被轉(zhuǎn)換成浮容重，而浸潤(rùn)線與坡外水位之間的那部分土體仍用飽和容重；4)計(jì)算庫(kù)水位驟降情況下的上游壩坡穩(wěn)定時(shí)，利用非穩(wěn)定滲流計(jì)算(正常蓄水位到死水位)所得浸潤(rùn)線作為壩體內(nèi)水位驟降的浸潤(rùn)線；5)施工期假設(shè)壩基上下游無(wú)水，施工期水位為地下水位。

4 計(jì)算工況

計(jì)算工況的選取如表4所示。

表4 下壩址壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況

5 計(jì)算結(jié)果分析

本文采用Autobank7.7軟件進(jìn)行計(jì)算分析。地震工況下，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g。

均質(zhì)土壩壩坡的穩(wěn)定計(jì)算分為兩個(gè)步驟：

1)建立有限元模型，通過(guò)計(jì)算得出各工況下的壩體浸潤(rùn)線。

2)將所得壩體浸潤(rùn)線作為壩體穩(wěn)定計(jì)算的水位線，采用軟件的自動(dòng)搜索功能得出最危險(xiǎn)滑弧的安全系數(shù)。

均質(zhì)壩滲流計(jì)算有限元模型見圖1。

通過(guò)壩坡的穩(wěn)定計(jì)算，得出各工況下壩坡的最危險(xiǎn)滑弧位置與最小安全系數(shù)，如圖2所示。

根據(jù)上述計(jì)算，得出均質(zhì)土壩壩坡最小安全系數(shù)，匯總于表5。

表5 各工況下壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果中分析可以看出，壩坡的滑弧均為深滑弧，在大多數(shù)工況下，最危險(xiǎn)滑弧的滑出點(diǎn)位于壩頂下方。在庫(kù)水位驟降工況下滑弧深度較其他工況淺，但仍在安全范圍內(nèi)。最危險(xiǎn)的工況為水位驟降工況。

6 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)不同工況下均質(zhì)土壩的壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)水位驟降工況下壩坡穩(wěn)定性最低。導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性下降的主要原因有兩點(diǎn)：1)均質(zhì)土壩在庫(kù)水位驟降的工況下，壩體土的孔隙水壓力來(lái)不及消散，致使壩體土顆粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低；2)庫(kù)水位驟降引起對(duì)壩坡穩(wěn)定性有利的臨水側(cè)水壓力的消失。正是由于上述兩點(diǎn)主要原因，造成了壩體臨水側(cè)壩坡穩(wěn)定性的下降。