寶雞峽98km塬邊渠道k91+900m處邊坡穩定性分析

鞏平福

(中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

寶雞峽98 km總干渠道，因行走于塬高(100～130 m)坡陡(30°～35°)黃土塬上，居高臨下，位置十分險要，被稱為人造“天上懸河”，同時渠道沿線，溝壑縱橫、泉眼密布、窯洞墓穴眾多、地質條件復雜的塬邊，是寶雞峽灌區的“咽喉工程”[1-3]。該渠道于1971年建成通水，現已運行50 a，該區段地質條件復雜，當初建設標準低，加之長期運行，工程老化破損嚴重，渠道兩側邊坡土體由風積、坡積、滑坡堆積和人工堆積等成因類型的土層組成，土層的力學性質差異較大[4-6]。黃土陡邊坡表層長時間經歷雨水沖刷植被被破壞，致使邊坡表面形成沖溝和洞穴[7-8]。邊坡上的渠道的襯砌運行時間較長，未做定期維修保養而發生漏水將會引發滑坡。本文以寶雞峽98 km塬邊渠道k91+900 m處邊坡為研究對象，針對k91+900 m斷面，利用有限元軟件Geostudio軟件，建立有限元計算模型，對邊坡在不同的工況下的安全系數進行計算分析。

1 基本地質概況

樁號k91+650 m～k92+100 m段塬頂高程625.0 m，塬下地面高程490.0 m左右，邊坡總高度達130 m，渠堤高程587.6 m，渠道左側人工邊坡坡高約35～40 m，平均坡度約40°。渠堤右側人工邊坡坡高約90 m，外側斜坡坡度35°～45°。修建渠道時在渠道右側大量堆積棄土，成為寬度15～20 m人工平臺[9]。

人工平臺自然堆土厚度一般2～4 m，成分不均一，分布張裂縫，裂縫深度延伸到原始地層的頂面，村民灌溉用水時常從半坡滲出，右側外邊坡在高程520 m到渠頂590 m高邊坡平均坡比38°，局部為50°，高程520 m以下地形相對平緩，邊坡地層為黃土狀壤土及古土壤，土質致密，分布有近于水平的鈣核層[10]。

2 邊坡計算模型和物理力學參數

依據黃土形成的年代和特點對邊坡土分層命名，此斷面邊坡黃土為7層黃土地層結構，由新到老依次為Q4s、Q3eol、Q22eol+pl、Q21eol+pl、Q12eol+pl、Q11eol+pl和Q1al。邊坡計算模型和網格劃分模型見圖1和圖2。

圖1 計算模型 圖2 模型網格劃分

模型的底面邊界采用垂直約束形式，左側高邊坡邊界采用水平向約束形式。滲漏工況采取在渠道水深2.6 m的范圍之內采用加水頭的全斷面滲漏的邊界，地震采用在邊坡體上加地震時程加速度的方法。

各土層的物理特性指標(天然容重、飽和容重、滲透系數)和力學特性指標(粘聚力、摩擦角、剪切模量、阻尼比)，具體見表1。

表1 k91+900m段地層物理力學指標

3 邊坡穩定性分析

根據邊坡地質條件和實際運行工況，本文分別計算邊坡在正常運行、渠道發生滲漏、渠道滲漏加地震共三種工況下邊坡的安全系數。

3.1 正常運行工況

正常工況具體條件：(1)渠道水位為2.6 m；(2)地下水位依據剖面圖標注水位；(3)渠道不發生滲漏，即地下水位保持穩態不變，不同方法計算結果見圖3。

圖3 采用有效應力指標摩根斯法計算結果

經過計算可得，在正常運行工況下，邊坡的左右岸局部安全系數和整體安全系數相差不大，都大于1.2，說明在正常運行工況下，渠道運行安全。

3.2 渠道發生滲漏工況

具體情況是：(1)渠道水位為2.6 m；(2)地下水位依據剖面圖標注水位；(3)渠道發生滲漏，即地下水位因滲漏發生變化，不同方法計算結果如下圖所示。渠道底部滲漏量為1.154 m3/d。

計算結果表明，渠道發生滲漏時，右岸邊坡會發生局部滑坡，繼而影響整體邊坡的安全穩定性，說明滲漏是影響邊坡安全穩定性的關鍵因素，左右岸和整體邊坡在渠道發生滲漏時的安全系數見圖4～圖6。

圖4 渠道滲漏條件下左岸邊坡潛在滑坡形態與安全系數 圖5 渠道滲漏條件下右岸邊坡潛在滑坡形態與安全系數

圖6 渠道滲漏條件下整體邊坡潛在滑坡形態與安全系數

3.3 渠道地震工況下的安全穩定性

項目區設計地震加速度時程由陜西大地地震工程勘察中心關于陜西地區華縣大地震中50 a超越概率10%設防概率水平下的合成場地基巖地震動加速度時程確定，峰值加速度a=0.2 g，特征周期0.34 s，具體的地震加速度時程曲線見圖7。對于邊坡，因為一般認為垂直于邊坡向水平地震是最危險的情況，因此計算時，只考慮輸入水平垂直于邊坡的地震加速度時程。

圖7 地震時程曲線

具體工況為：(1)渠道水位為2.6 m；(2)地下水位依據剖面圖標注水位；(3)渠道不發生滲漏，即地下水位保持穩態不變；(4)在此基礎上，進行地震時程反應分析計算，邊坡安全穩定性計算結果如下。

計算結果表明，地震對邊坡左右岸及整體的安全穩定性影響很小，分析原因是寶雞峽渠道k91km處地震加速度最大值為0.20 g，地震發生時在邊坡上不會產生過大的水平剪應力，雖然地震時安全系數有所上下變動，但變化幅值不大，不足以引起邊坡滑坡失穩。左右岸及整體邊坡安全系數變化時程曲線見圖8、圖9和圖10，右岸地震發生5.2秒時的最小安全系數圓弧面見圖11。

圖8 左岸安全系數與地震持時的關系曲線 圖9 右岸安全系數與地震持時的關系曲線

圖10 整體邊坡安全系數與地震持時的關系曲線 圖11 地震5.2秒時左岸邊坡潛在滑坡形態與安全系數圖

4 結語

通過數值模擬計算，對正常運行、渠道滲漏和地震情況下的邊坡的安全穩定性進行分析，取得了一下結論和認識。

(1)渠道在正常運行工況下，采用有效應力強度指標計算邊坡安全穩定性時，摩根斯法計算得到左岸邊坡的安全系數為1.303，右岸的安全系數為1.338，整體邊坡安全系數為1.363，有效應力的安全系數大于規范要求。

(2)渠道襯砌失效，發生滲漏時，其單寬滲漏量為1.154 m3/d，左岸邊坡餓安全系數為1.286，右岸邊坡的安全系數為0.807，整體邊坡安全系數為0.963，渠道右岸將會發生局部滑坡，連帶整體失穩。

(3)在渠道正常運行時，遭遇地震發生，左岸邊坡的最小安全系數為1.183，邊坡處于頻臨滑坡狀態，右岸邊坡的安全系數為1.257，整體邊坡的安全系數為1.270，邊坡處于安全狀態。說明地震對寶雞峽塬邊渠道的穩定性影響很小，在實際工程維護運行管理中，無需過多考慮。

總結分析，寶雞峽塬邊渠道在正常運行工況下，其處于安全穩定狀態，不會發生滑坡失穩。在渠道襯砌破壞，發生滲漏情況下，其右岸邊坡會發生滑坡破壞，繼而聯動引起整個邊坡滑坡失穩。地震對寶雞峽渠道安全穩定性影響甚微。