基于GeoStudio軟件的土石壩穩定設計

唐 帥

(山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250013)

在土石壩中，土質心墻防滲體是常有防滲結構。土石壩擋水后，在壩體內形成滲流，飽和區內土石料承受上浮力，減輕了抵抗滑動的有效重量，浸水后作用在壩上的荷載和土石料的抗剪強度都將發生變化，故在施工期、穩定滲流期、水庫水位降落期及地震等不同時期，滲流力可能引起管涌、流土等滲流破壞，也可對壩坡形成不利作用，引起壩邊坡失穩。土石壩的滲流穩定及壩坡穩定是實際工程中值得思考的問題。

1 工程概況

水庫等別為Ⅲ等，包括溢洪道、土石壩和放水洞，溢洪道進水渠底板頂高程17.20m，土石壩為壤土心墻砂殼壩，工程級別3級，壩頂長400m，壩頂寬7.0m，壩頂高程29.80m，最大壩高20m。防浪墻頂高程30.80m，高1.5m，厚0.5m。上游壩坡在高程19.00m處設2.0m寬戧臺，戧臺以上坡比1∶2.5，以下為1∶2.75；壩腳設堆石壓重體，頂高程14.0m，頂寬10.0m，邊坡1∶3.0；下游壩坡在高程20.00m處設2.0m寬戧臺，戧臺以上坡比1∶2.5，以下為1∶2.75；心墻頂高程29.10m，頂寬2.0m，上下游坡比1∶0.4。上游壩坡為干砌塊石護坡，下游壩坡為草皮護坡，壩后設縱橫向排水溝，壩腳設貼坡排水。壩基砂采用混凝土防滲墻防滲(0+180.0～0+340.0)，底高程-4.0m，平均深度13.0m，確定壓重平臺高程16.00m，上游平臺寬25m，下游平臺寬10m，采用棄渣料填筑，壓重平臺設干砌塊石護面。土石壩從上游到下游分別由上游護坡、碎石、反濾層、細砂、含砂壤土心墻、細砂、下游草皮護坡組成，壩基從上到下分別由①粗砂、淤泥質中細砂;②粗砂，黑云斜長片麻巖組成，壩基粗砂允許滲流坡降建議值為0.15，地震設防烈度7度，土石壩的典型橫斷面如圖1所示。

圖1 某土石壩典型橫斷面圖

2 土石壩設計

2.1 土石壩滲流及滲透穩定計算

計算滲流量時，土的滲透系數采用大值平均值，計算水位降落時采用小值平均值，滲流及滲透穩定計算采用GeoStudio有限元軟件的Seep/w分析模塊來進行分析，結合實際情況，選取0+100斷面作為典型斷面進行計算，對以上斷面分別建立二維有限元模型進行計算，計算工況如下：

(1)上游正常蓄水位25.43m，相應下游水位10.0m

(2)上游設計洪水位27.95m，相應下游水位10.0m

(3)上游校核洪水位28.84m，相應下游水位平地面11.0m

(4)庫水位自設計洪水位(27.95m)降落至死水位(15.03m)。

上述工況計算結果見表1，0+200不同水位下滲流等勢線及浸潤線如圖2—3。

表1 土石壩滲流計算成果表

圖2 0+200斷面正常蓄水位及設計洪水位滲流等勢線及浸潤線圖

圖3 0+200斷面校核洪水位及水位降落期滲流等勢線及浸潤線圖

根據地質結論，壩基砂允許水力比降建議值0.15。由表1可知，土石壩滲透穩定性滿足要求。

2.2 壩坡穩定計算

根據SL 274—2020《輾壓式土石壩設計規范》的規定，對所有工況均采用有效應力法；對竣工期及庫水位降落期同時采用總應力法，以較小的安全系數為準。根據地質勘探和室內試驗成果，結合原設計及竣工資料，選定壩體各土料的物理力學性指標。粘性土、壩殼砂及壩基砂的容重選用試驗平均值；粘性土抗剪強度指標大于11組時采用小值平均值，小于11組時采用建議值，無粘性土抗剪強度指標均采用建議值。計算方法采用計及條間力的簡化畢肖普法，計算軟件采用加拿大GeoStudio軟件的分析模塊Slope/w，壩基及壩體物理力學計算選用指標表見表2。

結合實際情況，選取0+200斷面作為典型斷面進行計算。

(1)正常運用條件

①庫水位為正常蓄水位(25.43m)和相應下游水位(10.00m)時的上、下游壩坡穩定；

②庫水位為設計洪水位(27.95m)和相應下游水位(10.00m)時的上、下游壩坡穩定；

③庫水位自設計洪水位(27.95m)降落至死水位(15.03m)時的上游壩坡穩定。

(2)非常運用條件

①庫水位為校核洪水位(28.84m)和相應下游水位時的上、下游壩坡穩定；

②庫水位自校核洪水位(28.84m)降落至進水渠底板頂(17.20m)時的上游壩坡穩定；

③正常運用條件②+地震；④施工期。

土石壩壩坡抗滑穩定安全系數計算成果詳見表3，不同水位下最危險滑弧位置見圖4—9。

表3 土石壩壩坡抗滑穩定安全系數計算成果表

圖4 0+200斷面正常蓄水位上下游坡最危險滑弧位置圖

圖5 0+200斷面設計洪水位上下游坡最危險滑弧位置圖

圖6 0+200斷面設計洪水位降落到死水位及校核洪水位降到進水渠底板上游坡最危險滑弧位置圖

圖7 0+200斷面校核洪水位上下游坡最危險滑弧位置圖

圖8 0+200斷面設計洪水位+地震上下游坡最危險滑弧位置圖

圖9 0+200斷面施工期上下游坡最危險滑弧位置圖

由表看出，計算斷面各種工況下安全系數均大于規范允許值，滿足設計要求。

3 結論

(1)土石壩滲透和壩坡穩定分析可使用GeoStudio軟件中的Seep/w和Slope/w分析模塊，其應用已相當成熟，計算結果可靠，軟件建模過程物理指標的選取要有據可依。

(2)水力坡降大于允許水力坡降，安全穩定系數大于規范允許值，可認為土石壩滲流穩定和邊坡穩定，選取的筑壩土石料的種類、壩的結構型式以及各種土石料在壩體內的配置基本合理。

(3)本文對土石壩滲流和壩坡穩定設計具有參考價值，但只局限于此，在土石壩設計中，要根據土石料的物理、力學性能選擇壩體各部分的填筑壓實標準，達到經濟技術上的可行性和合理性。