考慮滲流作用的斜心墻土石壩壩坡穩定分析研究

吳坤偉

（海南省紅嶺灌區管理中心,海南 海口 202150）

1 引言

斜心墻土石壩為我國常見的土石壩壩型,在我國大中型土石壩工程中廣泛采用。相比直心墻土石壩與瀝青混凝土心墻壩,斜心墻土石壩的優點突出。直心墻土石壩的心墻為與壩體中部,不方便后期維修養護；瀝青混凝土心墻造價較高,且心墻瀝青混凝土骨料和瀝青之間的粘結性能在滲透水作用下容易發生脫落。斜心墻土石壩的心墻結構位于土石壩壩體上游,便于后期維修養護,且位于上游的心墻可以較好地阻擋上游水庫滲透水流進入。為評價土石壩的上下游壩坡的穩定性,相關學者開展了大量的研究。王力[1]等通過綜合考慮滲流作用和長期蠕變作用下土石壩的滑坡變形分析,深入分析了土石壩的壩坡穩定；賈善坡[2]等通過考慮滲流作用-應力變形交互作用的土石壩裂縫擴展模型,分析了壩體裂縫的擴展狀態。盛建龍[3]等通過考慮滲流作用及應力變形作用下基坑的邊坡穩定,得到了深基坑邊坡穩定安全系數的演變規律；劉圣堯[4]等通過分析考慮滲流作用下土石壩的壩坡穩定,得到了滲流作用對上下游壩坡的影響機理。然而,傳統土石壩滲流、穩定計算過程中,一般主要針對直心墻壩、瀝青混凝土心墻壩的計算分析較多,然而對考慮滲流作用下斜心墻土石壩的壩坡穩定分析研究較少。因此,本文以某斜心墻黏土心墻壩為研究對象,開展了考慮滲流作用的壩坡穩定分析,基于上下游壩坡的安全系數來評價斜心墻土石壩的安全性態。

2 工程概況

某水庫總面積42 萬m2。總庫容526 萬m3,控制流域面積43 km2。建有1 座主壩、l 座溢洪道、1 個輸水管（包括進水塔1 座）和1 座發電站。主壩高37 m,壩頂長164 m,年供水300 萬m3。土石壩的主壩體材料為砂礫石,防滲結構為黏土斜心墻,上游壩坡的坡比設計為1∶3,下游壩坡的坡比設計為1∶2.55。黏土斜心墻的尺寸為頂部寬度最小,隨著頂部到底部墻面尺寸逐漸增大,心墻底部寬度最大,最大值與最小值分別1.5 m 與4.5 m。其中,黏土心墻上部的坡比為1∶3,靠近下側的坡比為1∶2.5。

3 計算分析方法

3.1 計算原理

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）,壩體邊坡穩定分析采用簡化畢肖普法。運用此方法進行壩體邊坡穩定計算時,采用有效應力強度指標進行計算。

工程上采用的土坡穩定分析方法,主要是建立在剛體極限平衡理論基礎之上的。假設達到極限平衡狀態時,土體將沿某一滑裂面產生剪切破壞而失穩。滑裂面上的各個點均處于極限平衡狀態,滿足摩爾-庫倫強度條件。簡化畢肖普法,假定滑動面為圓弧滑動面,近似考慮了土條間的相互作用力,通過建立力與力矩極限平衡方程,獲得穩定安全系數值。本文中壩坡穩定滲流期的上下游壩坡及水庫水位降落期的上游壩坡運用簡化畢肖普法計算圓弧滑動穩定安全系數。

3.2 計算模型

根據大壩現狀最大橫斷面簡圖建立有限元模型,模型范圍為：大壩向上游與下游各取40 m,建基面以下取40 m。采用四邊形單元為主、輔以三角形單元來進行有限元網格剖分,共包括5321 個單元,5409 個節點,得到的有限元網格見圖1。

圖1 大壩穩定計算有限元網格劃分圖

3.3 計算工況及計算參數

壩坡抗滑穩定復核計算是在防洪標準復核和滲流安全評價成果的基礎上進行的。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）,并結合某水庫工程的實際情況,確定的計算工況為：

（1）正常蓄水位290.30 m,下游對應水位248.00 m 的上下游壩坡；

（2）設計洪水位288.80 m,下游對應水位248.00 m 的上下游壩坡；

（3）校核洪水位291.60 m,下游對應水位248.00 m 的上下游壩坡；

（4）水位驟降工況Ⅰ：上游水位按水位降落速度0.5 m/d由正常蓄水位290.30 m 驟降至死水位265.00 m,相應下游水位248.00 m 的上游壩坡；

（5）水位驟降工況Ⅱ：上游水位按水位降落速度1.0 m/d由正常蓄水位290.30 m 驟降至死水位265.00 m,相應下游水位248.00 m 的上游壩坡。

某水庫斜心墻土石壩穩定計算參數見表1。其中,壩殼砂礫料、防滲心墻、防滲斜墻、反濾層和壩基砂礫石覆蓋層材料按照《某水庫除險加固工程初步設計報告》選取,其余材料參數參照類似工程選取。

表1 大壩穩定計算參數表

4 計算結果分析

某水庫斜心墻土石壩最大橫斷面上下游壩坡穩定復核計算結果見表2 以及圖2～圖6。由表2 可知,現狀最大橫斷面上游壩坡在正常運用情況下的安全系數為2.115,在設計洪水位工況下的安全系數為2.103；在校核洪水位工況下的安全系數為2.084,大于最小安全系數1.15,均滿足規范要求。因此,上游壩坡在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位下抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

表2 穩定計算結果

根據圖2～圖4 可知,考慮滲流作用下黏土心墻土石壩的滲流性態與混凝土面板堆石壩浸潤線位置相似。可以看出,浸潤線首先沿著心墻的上表面隨著心墻迅速下降,到達心墻底部以后,平行于壩基面緩慢下降。上游壩坡的最危險滑弧位置基本覆蓋上游壩坡,靠近壩頂的上滑動點位于壩頂向下3 m～5 m左右,且下部滑動點位于上游壩基向上2 m～3 m左右,滿足常規土石壩最危險滑弧出現的一般規律。

圖2 現狀最大橫斷面正常蓄水位上游壩坡最危險滑弧位置示意圖

圖3 現狀最大橫斷面設計洪水位上游壩坡最危險滑弧位置示意圖

圖4 現狀最大橫斷面校核洪水位上游壩坡最危險滑弧位置示意圖

現狀最大橫斷面下游壩坡在正常運用情況下的安全系數為1.821,在設計洪水位工況下的安全系數為1.793,均大于最小安全系數1.25；在校核洪水位工況下的安全系數為1.774,大于最小安全系數1.15,均滿足規范要求。因此,下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

由表2 可知,現狀最大橫斷面上游壩坡在在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度0.5 m/d）為2.054,在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度1.0 m/d）為1.956,均大于最小安全系數1.25,均滿足規范要求。因此,上游壩坡在水庫驟降工況下抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

根據圖5～圖6 可知,在水位驟降工況下,考慮滲流作用后黏土心墻土石壩的滲流浸潤線位置明顯出現降低的趨勢。可以看出,浸潤線首先穿過心墻迅速下降,到達心墻底部以后,仍然平行于壩基面緩慢下降,最終進入到排水棱體內部。在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度0.5 m/d）工況下,在上游壩破的最危險滑弧位置基本覆蓋上游壩坡,靠近壩頂的上滑動點位于壩頂向下1 m～2 m 左右,且下部滑動點位于上游壩基向上3 m～5 m 左右。但是,在正常蓄水位驟降至死水位（降落速度1.0 m/d）工況下,可以看出最危險滑弧的范圍出現了明顯的增大。

圖5 現狀最大橫斷面水位驟降工況Ⅰ上游壩坡最危險滑弧位置示意圖

圖6 現狀最大橫斷面水位驟降工況Ⅱ上游壩坡最危險滑弧位置示意圖

通過計算可知,現狀最大橫斷面下游壩坡在正常運用情況下的安全系數為1.821,在設計洪水位工況下的安全系數為1.793,均大于最小安全系數1.25；在校核洪水位工況下的安全系數為1.774,大于最小安全系數1.15,均滿足規范要求。因此,下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

5 結論

（1）通過分析不同水位變化工況下上游壩坡、下游壩坡抗滑穩定安全系數,結果表明：考慮土石壩滲流作用下,隨著上下游水頭差的增大,上游壩坡的安全系數始終大于下游壩坡的,且安全系數逐漸減小。

（2）通過分析不同水位驟降工況下的上游壩坡、下游壩坡抗滑穩定安全系數及滑弧位置,結果表明：在水位變化工況下,隨著水位降落速度的增加,上游壩坡安全系數逐漸減小,但是仍大于規范允許值。然而,上下游水位差對于上游壩坡的滑動面位置沒有明顯影響。

（3）本文研究結果可知,在考慮壩體滲流作用下,斜心墻土石壩在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位和水位驟降等計算工況下的壩坡穩定安全系數均滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）的要求。