基于有限元模型分析李金水庫除險加固岸坡的穩定性

蔣春宇

(沈陽市文林水土工程設計有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

李金水庫位于綏中縣大王廟鎮境內小黃村王寶河支流上，壩址以上河長15.70 km，控制流域面積29.20 km2，河道比降24.10‰。水庫是以調洪、灌溉為主，供水、養魚為輔的小(1)型水庫。水庫始建于1974年8月，1977年5月竣工。根據原設計方案水庫的正常蓄水位為118.0 m，設計庫容397.09萬m3。水庫由大壩、溢洪道、輸水洞三部分組成。其中，大壩為黏土心墻砂殼壩、溢洪道為開敞式寬頂堰。

經過多年運行，水庫病險問題比較突出，在除險加固之后，水庫大壩培厚加高，平均壩高較加固前提高了13.0 m，達到136.5 m，壩頂寬12.5 m，上游面壩坡坡度1∶2.0，下游面壩坡坡度1∶2.5。水庫防洪標準由原來的50年一遇提高到200年一遇。庫水位也相應抬升12.0 m。設計洪水位130.0 m，校核水位133.5 m，運行水位122.5 m，低水位118.0 m，設計庫容量增加至923.54萬m3，可以發揮更好的防洪效益和經濟效益。由于水庫蓄水量的大幅增加，導致庫區更多的坡積土和滑坡堆積土被淹沒，容易引發現狀穩定邊坡的失穩破壞，并對水庫的正常運行造成一定的危害[1]。因此，研究庫區邊坡的穩定性，特別是運行過程中水位升降變化對邊坡穩定性的影響，應該是工程建設和運行過程中必須要關注和解決的問題。基于此，此次研究利用數值模擬的方式，選擇庫區典型岸坡進行最不利工況下的穩定性系數計算，為工程設計和后期運行提供必要的參考。

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型的構建

Geo-studio是一款優秀的地質工程分析軟件，該軟件的主要優勢是其所有軟件都可以在同一環境下運行，用戶僅需要構建一個幾何模型，即可在所有軟件中使用[2]。此外，用戶可以在求解區域上定義模型的材料屬性和邊界條件，而不是在有限元網格上定義，因此可以對幾何模型進行隨意修改而不會導致先前定義的模型屬性丟失[3]。

鑒于滑坡堆積體岸坡、黃土陡坡以及坡積土陡坡在庫區分布較為廣泛，且比較容易發生滑坡和坍塌破壞[4]。因此，研究中選擇上述3種岸坡作為主要研究對象。在模擬計算過程中，每種岸坡選擇一個典型斷面作為研究斷面，各斷面的特征如表1所示。

利用Geo-studio軟件對3個典型斷面進行有限元計算模型的構建。斷面A高度約為26 m，坡度0.75。模型構建過程中以水平指向庫區方向為X軸正方向，以豎直向上的方向為Y軸正方向，對整個邊坡以0.5 m網格進行網格單元剖分，對局部進行加密處理。整個模型劃分為2234個網格單元，2023個計算節點。有限元模型示意圖如圖1所示。按照類似方式構建斷面B和斷面C的有限元模型，其網格單元數分別為5322個和4867個，節點數分別為4365個和4028個。斷面A、斷面B、斷面C的有限元模型示意圖分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 斷面A有限元模型示意圖

圖2 斷面B有限元模型示意圖

圖3 斷面C有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計算參數

根據Geo-studio軟件的邊界處理原則，研究中將各個邊坡的邊界條件進行如下設置：邊坡遠離庫區的一側和底部均為無限遠處，設置為不透水邊界條件[5]；邊坡的頂部和坡面為自由入滲邊界條件，為流量邊界條件[6]。邊坡靠近庫區的一側在庫水位以上為零邊界處理，使庫水淹沒的部位能夠自由滲入或滲出[7]。

在計算過程中，假設岸坡為均質土體岸坡，坡面光滑。假定土體材料為彈塑性、各向同性材料[8]。岸坡的下層飽和土種類為孔隙水壓力變化，上層天然狀態的土材料為總應力參數。在庫水位升降變化過程中，浸潤線以下的土體為飽和土，以上部位為天然狀態。土體材料的計算參數如表2所示。

表2 土體材料計算參數

2.3 計算方案

背景工程在除險加固工程完工之后，首先將蓄水位在現狀水位抬升12.0 m，在運行過程中需要在高程118.0～130.0 m變化。因此，在研究過程中設計了庫水位上升、庫水位下降以及庫水位波動變化等三種不同的計算工況。其中，庫水位上升工況由現狀水位118.0 m以2.0 m的間隔逐步抬升至130.0 m高程；庫水位下降工況由水位130.0 m高程以2.0 m的間隔逐步下降至118.0 m高程；庫水位波動工況為庫水位在2.0 m范圍內小幅波動變化。根據《水利水電工程邊坡設計規范》(SL 386—2007)，背景工程岸坡的安全允許值為1.20，研究中通過數值模擬的方式對邊坡穩定系數進行計算，并對邊坡的穩定性進行評價。

3 計算結果與分析

3.1 庫水位上升

利用構建的有限元計算模型，對庫水位上升工況不同庫水位高度下的3個典型斷面穩定系數進行計算，結果如表3所示。由計算結果可知，在118.0 m的現狀庫水位條件下，滑坡堆積體岸坡(斷面A)、黃土陡坡(斷面B)以及坡積土陡坡(斷面C)的穩定系數分別為1.83、2.13和1.82，均顯著高于安全允許值，由此可見，在現狀水位條件下，庫區上游的土質邊坡均處于穩定狀態。隨著庫水位高度的不斷升高，各典型斷面的穩定系數均呈現出先下降后小幅上升的變化特點。斷面A在128.0 m高程穩定系數最小，為1.44；斷面B在126.0 m高程穩定系數最小，為1.73；斷面C在124.0 m高程穩定系數最小，為1.76，均顯著大于穩定系數允許值，說明邊坡均處于安全穩定狀態。由此可見，庫水位在上升過程中，庫岸土質邊坡的安全穩定性良好，不會發生滑坡、崩坍等地質災害。

表3 庫水位上升工況邊坡穩定系數計算結果

3.2 庫水位下降

利用構建的有限元計算模型，對庫水位下降工況不同庫水位高度下的三個典型斷面穩定系數進行計算，結果如表4所示。由計算結果可知，在庫水位下降過程中，各個斷面的穩定系數均呈現出先減小后增大的變化特點。斷面A在128.0 m高程的穩定系數最小為1.42；斷面B在122.0 m高程的穩定系數最小為1.73；斷面C在124.0 m高程的穩定系數最小為1.68。但是，從數值上來看，各斷面的穩定系數均顯著大于工程允許值，說明上游庫岸土質邊坡均處于穩定狀態，失穩風險較小。

表4 庫水位下降工況邊坡穩定系數計算結果

3.3 庫水位波動變化

利用構建的有限元計算模型，對庫水位在不同水位高度下頻繁波動變化工況三個典型斷面穩定系數進行計算，結果如表5所示。由計算結果可知，庫水位頻繁升降變化會對邊坡穩定系數造成程度不同的影響。從具體計算結果來看，不同水位的邊坡穩定系數均有一定程度減小。相對而言，黃土陡坡(斷面B)以及坡積土陡坡(斷面C)受到的影響較小，穩定系數減小約10%左右。但是，滑坡堆積體邊坡(斷面A)受到的影響較大，特別是庫水位在126.0～128.0 m高程波動變化時的岸坡穩定系數降幅較大，已經低于安全允許值，極易誘發滑坡、崩塌等地質災害。因此，在工程建設中需要對庫區消落帶的此類岸坡進行工程技術處理，在后續的工程運行期間，盡量避免庫水位在上述高程頻繁波動變化。

表5 庫水位波動變化工況邊坡穩定系數計算結果

4 結 語

此次研究以具體工程為背景，探討了庫水位升降和波動變化對庫區土質邊坡安全穩定性的影響。結果顯示，在水庫庫水位升降變化過程中，各類型土質岸坡均處于穩定狀態。庫水位在某一高程的波動變化會對滑坡堆積體岸坡的穩定性造成較大影響，存在失穩破壞的可能性，建議采取工程措施或調度措施。當然，庫岸的土質岸坡地質條件十分復雜，影響此類岸坡塌岸的因素眾多，難以對其進行精確預測。因此，要使預測結果接近實際情況，還需要進行更多的現場監測和分析，為工程技術和管理措施的選擇和使用提供必要的依據。