不同庫(kù)水位下均質(zhì)土石壩穩(wěn)定性分析

曹思源, 張 淼, 袁 穎,2

1. 河北地質(zhì)大學(xué) 城市地質(zhì)與工程學(xué)院, 河北 石家莊 050031; 2. 河北省地下人工環(huán)境智慧開發(fā)與管控技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 石家莊 050031

0 引言

中國(guó)現(xiàn)有約9.8 萬(wàn)座水壩, 其中95%為均質(zhì)土石壩, 庫(kù)區(qū)水位受水庫(kù)蓄水和排泄的影響而發(fā)生變化, 不同庫(kù)水位壩體穩(wěn)定性不同, 與此同時(shí), 不同工況下壩體穩(wěn)定性也存在差異。 當(dāng)前, 邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法[1,2]和數(shù)值分析法[3,4]。極限平衡法經(jīng)過長(zhǎng)期工程實(shí)踐和理論發(fā)展, 已廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。 基于不同假設(shè)條件, 極限平衡法形成了多種分析方法, 主要有: 瑞典條分法、Bishop 法、 Janbu 法、 Morgenstern-Price 法等[5]。 鄢黎明[6]對(duì)庫(kù)水位變化影響土石壩穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)分析, 結(jié)果表明, 庫(kù)水位逐漸上升, 均質(zhì)土石壩迎水壩坡安全系數(shù)先增大后減小, 水對(duì)于壩體穩(wěn)定具有雙重性。 劉坤等[7]在分析降雨入滲的非飽和土邊坡穩(wěn)定性基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn), 降雨對(duì)坡底產(chǎn)生的影響小于坡頂, 但坡底初始孔隙水壓力越大越容易在坡底形成暫態(tài)飽和區(qū)。 李卓等[8]研究發(fā)現(xiàn), 壩坡上部土體受前期降雨入滲影響, 孔隙水壓力和自重不斷增大,抗剪強(qiáng)度不斷降低, 對(duì)壩坡穩(wěn)定不利, 上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的降低是由降雨和庫(kù)水位變化共同作用導(dǎo)致。

為了分析不同庫(kù)水位下壩體的穩(wěn)定性, 本文以某均質(zhì)土石壩為例, 通過野外實(shí)地調(diào)查、 鉆探和室內(nèi)試驗(yàn)等手段, 確定了壩體巖土體結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性質(zhì)。通過Geostudio 軟件分別模擬分析了不同庫(kù)水位下天然工況、 短暫暴雨工況(不考慮降雨入滲)、 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況(考慮降雨入滲) 的土石壩, 通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn): 壩體水位高度與邊坡穩(wěn)定性成反比; 天然工況壩體穩(wěn)定性高于暴雨工況; 降雨類型不同時(shí), 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況條件下壩體穩(wěn)定性最差; 對(duì)于巖土體分層邊坡,當(dāng)巖土體處于飽和時(shí), 最危險(xiǎn)滑面往往只貫穿強(qiáng)度低的巖土層。 模擬結(jié)果為合理評(píng)價(jià)壩體穩(wěn)定性和安全性提供了依據(jù)。

1 極限平衡法基本原理

在邊坡穩(wěn)定性模擬中, 采用Morgenstern-Price 法來進(jìn)行數(shù)值模擬。 在極限平衡法中, 由于土條間作用力的假設(shè)條件不同, 發(fā)展出如瑞典條分法、 Bishop 法和簡(jiǎn)化Janbu 法等多種方法。 摩根斯坦法同時(shí)滿足力矩平衡和力平衡, 其數(shù)學(xué)意義更為嚴(yán)格[9]。 本文對(duì)該土石壩采用摩根斯坦法進(jìn)行穩(wěn)定性模擬計(jì)算。 其計(jì)算公式如下:

根據(jù)力矩平衡可得:

根據(jù)力平衡可得:

由力平衡條件和力矩計(jì)算得穩(wěn)定性系數(shù)Fs:

式中:c為內(nèi)聚力;φ為內(nèi)摩擦角;N為條間土底部的法向力;α為土條底部?jī)A角;LW為滑動(dòng)面圓心至土條重心的力臂長(zhǎng)度;LN為土條在滑動(dòng)面處的中點(diǎn)到對(duì)應(yīng)法線之間的距離;R為對(duì)滑動(dòng)面圓心取矩力臂長(zhǎng)度;Ff為力平衡的安全系數(shù);Fm為力矩平衡下的安全系數(shù)。

2 工程概況

2.1 地理位置及水庫(kù)概況

該水庫(kù)壩址位于東河鎮(zhèn)鄭家溝村附近, 距旺蒼縣17 km, 最大壩高12 m, 總庫(kù)容25.6 m3。 庫(kù)岸邊坡水下部分寬度為50 m, 高度為16 m, 坡度范圍27°～36°。

2.2 氣象與水文

由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T收集資料可知, 該地雨量充足,3—9 月多為雨季, 5—9 月降雨量大, 大雨和暴雨主要集中在此時(shí)間段內(nèi)。 年平均降雨量1 200 mm, 年最大降雨量為2 092.4 mm, 年最小降雨量為728.8 mm。崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害隨降雨量增加而增加, 從一定程度上而言, 降雨量控制著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3 建立模型

根據(jù)鉆探揭露地質(zhì)剖面并結(jié)合室內(nèi)巖土試驗(yàn)與工程類比綜合分析取得的相關(guān)巖土力學(xué)參數(shù)值, 模型的建立利用了GeoStudio 軟件中的SEEP /W 和SLOPE /W 兩模塊, 該軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法基于Morgenstern-Price 法, 圖1 為建立的模型。 土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。 地層從上至下分為10 m 厚含碎石粉土、 2 m 厚強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖兩層。 天然工況、 暴雨工況下巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。 由于短暫暴雨工況和長(zhǎng)時(shí)暴雨工況均認(rèn)為土體已飽和, 降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)土體飽和度無(wú)明顯影響, 因此二者采用相同飽和的土力學(xué)參數(shù)。 但就降雨入滲而言, 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況由于降雨量大、 歷時(shí)久, 壩頂局部積雨來不及以地表徑流形式向上下游壩坡底部排泄, 所以, 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況相較于短暫暴雨工況考慮了壩頂降雨入滲的影響。 假設(shè)壩頂降雨入滲的單位流量q=10-6m3/s/m2, 其中q滿足暴雨工況。

表1 土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soil layer

圖1 定義模型圖Fig.1 Schematic diagram of definition model

4 穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 天然工況

采用M-P 法對(duì)設(shè)定好的有限元模型進(jìn)行計(jì)算, 得到天然工況6～11 m 水位下最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和穩(wěn)定系數(shù),如圖2 (a-f) 所示, 6 ～11 m 壩體穩(wěn)定系數(shù)分別為:FS6= 1.435, FS7= 1.391, FS8= 1.347, FS9= 1.300,FS10=1.241, FS11=1.165。 模擬結(jié)果表明, 壩體在天然工況任何水位下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 天然工況壩體穩(wěn)定性Fig.2 Dam stability under natural condition

4.2 短暫暴雨工況

短暫暴雨工況6～11 m 水位下最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和穩(wěn)定系數(shù), 如圖3 (a-f), 其中6～11 m 壩體穩(wěn)定系數(shù)分別為: FS6= 1.038, FS7= 1.019, FS8= 0.981, FS9=0.933, FS10=0.879, FS11=0.833。 模擬結(jié)果表明, 壩體在短暫暴雨工況(不考慮降雨入滲) 7 m 水位以上處于不穩(wěn)定狀態(tài), 7 m 水位以下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 短暫暴雨工況壩體穩(wěn)定性Fig.3 Dam stability under transient rainstorm condition

4.3 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況

長(zhǎng)時(shí)暴雨工況6～11 m 水位下最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和穩(wěn)定系數(shù), 如圖4 (a-f), 其中6～11 m 壩體穩(wěn)定系數(shù)分別為: FS6= 1.019, FS7= 0.992, FS8= 0.963, FS9=0.924, FS10=0.854, FS11=0.828。 模擬結(jié)果表明, 壩體在長(zhǎng)時(shí)暴雨工況(考慮降雨入滲) 6 m 水位以上處于不穩(wěn)定狀態(tài), 6 m 水位以下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況壩體穩(wěn)定性Fig.4 Dam stability under long-term rainstorm condition

4.4 對(duì)比分析

在同一坐標(biāo)系繪制不同庫(kù)水位下3 種工況的穩(wěn)定系數(shù)直觀對(duì)比圖5。 由圖2-圖5 綜合對(duì)比可知:

圖5 穩(wěn)定系數(shù)直觀對(duì)比圖Fig.5 Visual comparison diagram of stability coefficient

1) 天然工況10 m 水位以下時(shí)最危險(xiǎn)滑面穿過整個(gè)下游壩坡, 10 m 水位以上時(shí)最危險(xiǎn)滑面只穿過下游壩坡含碎石粉土層; 暴雨工況下無(wú)論任何水位, 最危險(xiǎn)滑面均只穿過下游壩坡含碎石粉土層。

2) 天然工況下穩(wěn)定系數(shù)曲線的斜率大致相似,呈勻速降低; 短暫暴雨工況下曲線斜率由小增大, 6～7 m 水位斜率小于7～11 m 水位, 7～11 m 水位時(shí)呈勻速減小; 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況下6～9 m 和10～11 m 水位穩(wěn)定系數(shù)減小速率大致相同, 由于9～10 m 水位曲線下降速率突變驟增, 此段斜率大于6～9 m 和10～11 m。

3) 不同庫(kù)水位下三種工況穩(wěn)定系數(shù): 天然工況＞短暫暴雨工況＞長(zhǎng)時(shí)暴雨工況, 短暫暴雨工況與長(zhǎng)時(shí)暴雨工況穩(wěn)定系數(shù)相差不大, 差值在0.03 范圍內(nèi)波動(dòng)。

5 結(jié)論

1) 水位不同, 壩體的浸潤(rùn)曲線高度不同, 但曲線形狀大致相似。

2) 下游壩坡溢水點(diǎn)受水位與工況共同控制, 水位越高, 溢水點(diǎn)越高; 暴雨工況溢水點(diǎn)高于天然工況, 工況對(duì)溢水點(diǎn)高低的影響小于水位。

3) 該土石壩在天然工況下的任何水位均處于穩(wěn)定狀態(tài); 短暫暴雨工況(不考慮降雨入滲) 7 m 水位以下處于穩(wěn)定狀態(tài), 以上處于不穩(wěn)定狀態(tài); 長(zhǎng)時(shí)暴雨工況(考慮降雨入滲) 6 m 水位以下處于穩(wěn)定狀態(tài),以上處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 因此, 建議將7 m 和6 m 水位分別確定為該壩體短暫暴雨工況(不考慮降雨入滲)和長(zhǎng)時(shí)暴雨工況(考慮降雨入滲) 的最高安全水位,在不同工況下應(yīng)及時(shí)排水, 以確保壩體的安全。

4) 不同工況下最危險(xiǎn)滑面對(duì)比分析表明: ①巖土體處于飽和時(shí), 土體的強(qiáng)度低于巖體的強(qiáng)度; 巖土體參數(shù)中粘聚力受飽和度影響最大; ②反而言之, 粘聚力在各參數(shù)中對(duì)飽和巖土體強(qiáng)度起主要控制作用;③對(duì)于巖土體分層邊坡, 當(dāng)巖土體處于飽和時(shí), 最危險(xiǎn)滑面往往只貫穿強(qiáng)度低的巖土層。