基于Autobank的深厚覆蓋層上面板堆石壩抗滑穩(wěn)定性分析

楊振亞,王正新,高劍峰,周明明

(1.南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司,南京 210000;2.河海大學 水利水電學院,南京 210098;3.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 揚州 225127)

1 概 述

相較于混凝土壩,土石壩具備結構簡單、可就地取材且對地質條件適應性強等優(yōu)點,因而在國內水電行業(yè)得到廣泛應用。由于壩址區(qū)地質條件的限制,越來越多的土石壩修建于深厚覆蓋層地基上。因此,研究深厚覆蓋層上土石壩的抗滑穩(wěn)定意義重大。

王鵬泉等[1]研究了庫水驟降速率對深厚砂卵礫石覆蓋層上瀝青心墻壩的抗滑穩(wěn)定性影響。鄒德高等[2]對深厚覆蓋層上的高土石壩在強震作用下的穩(wěn)定性進行了深入研究。張園園等[3]針對深厚覆蓋層厚度對土石壩壩坡穩(wěn)定性的影響開展了相關研究。費康等[4]基于三維土石壩有限元模型,研究了深厚覆蓋層對土石壩抗滑穩(wěn)定性的影響。蘇星等[5]以蘇布雷水電站為例,研究了深厚覆蓋層上土石壩壩基滲透變形規(guī)律及防滲處理措施。

為了更加深入了解深厚覆蓋層上的土石壩抗滑穩(wěn)定性,本文以國內南方某擬建面板堆石壩為例,基于Autobank軟件,通過簡化畢肖普法,求解最危險圓弧滑面及相應安全系數,對1#壩和2#壩在多種工況下的穩(wěn)定性進行分析。

2 計算理論與方法

2.1 滲流計算原理

對于穩(wěn)定滲流,符合達西定律的非均各向異性二維滲流場,水頭勢函數滿足微分方程[6]:

(1)

式中:φ=φ(x,y)為待求水頭勢函數;x,y為平面坐標;Kx、Ky為X軸、Y軸方向的滲透系數。

水頭φ還必須滿足一定的邊界條件,經常出現以下幾種邊界條件:

1)在上游邊界上水頭已知。

φ=φn

(2)

2)在逸出邊界水頭和位置高程相等。

φ=z

(3)

3)在某邊界上滲流量q已知。

(4)

式中:lx、ly為邊界表面向外法線在X、Y 方向的余弦。

將滲流場用有限元離散,假定單元滲流場的水頭函數勢φ為多項式,由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式,可導出線性方程組:

[H]{φ}={F}

(5)

式中:[H]為滲透矩陣;{φ}為滲流場水頭;{F}為節(jié)點滲流量。

2.2 穩(wěn)定計算原理

采用簡化畢肖普法,進行壩坡穩(wěn)定安全系數計算[7]:

(6)

式中:Wi為第i滑動條塊自重;Qi、Vi分別為作用在第i滑動條塊上的外力在水平向和垂直向分力;ui為第i滑動條塊底面的孔隙壓力;αi為第i滑動條塊底滑面的傾角;bi為第i滑動條塊寬度;c′、φ′為第i滑動條塊底面的有效凝聚力和內摩擦角;MQi為第i滑動條塊水平向外力Qi對圓心的力矩;R為圓弧半徑;K為安全系數。

3 工程案例

3.1 工程概況

國內某擬建水電站裝機容量為1 200MW,工程等別為一等大(Ⅰ)型。上水庫正常蓄水位和死水位分別為490、464m。上水庫庫區(qū)存在多個天然埡口,為了形成封閉庫區(qū),在每個埡口布置面板堆石壩進行擋水,選取其中最具代表性的兩個壩(以下稱1#壩和2#壩)進行抗滑穩(wěn)定性分析。1#壩和2#壩的典型剖面見圖1、圖2。

圖1 1#壩計算典型剖面

圖2 2#壩計算典型剖面

由圖1、圖2可知,壩頂寬度8m,上游壩坡1:1.4,1#壩下游側筑壩料采用庫內開挖的全強風化料,材料參數較低,故1#壩下游壩坡放緩為1:2.5;2#壩下游側由于地形條件限制,若采用全強風化料,壩坡較緩,坡腳順地形放出去距離過遠,故2#壩下游側筑壩料采用庫內開挖的弱風化料,2#壩下游壩坡為1:1.8。每20m高差設一寬3m馬道,大壩大部分建基于全風化層中上部,壩基堆石區(qū)下面考慮厚2m排水層及厚1m反濾層,壩頂高程493m,校核洪水位和設計洪水位分別為490.69、490.52m。大壩壩型為面板堆石壩,采取趾板下布置防滲墻、墻下帷幕灌漿的方式,形成封閉的防滲體系。

大壩材料的物理力學特性參數見表1。

表1 大壩材料物理力學參數表

根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(NB/T 10872-2021)[8],大壩的滲流穩(wěn)定計算分析一般有正常運行工況、非常運行工況Ⅰ和非常運行工況Ⅱ,3種具體工況的詳細說明如下:

①正常運行工況:考慮壩后無水,壩前水位分別是正常蓄水位(490m)、設計洪水位(490.52m)以及正常蓄水位驟降至死水位(490m→464m)時的壩坡穩(wěn)定。

②非常運行工況Ⅰ:考慮壩后無水,壩前水位分別為校核洪水位(490.69m)和施工期時(壩前無水)時的壩坡穩(wěn)定。

③非常運行工況Ⅱ:考慮壩后無水,壩前水位是正常蓄水位(490m)同時發(fā)生設計地震(水平向地震波峰值加速度為0.175g)時的壩坡穩(wěn)定。

3.2 1#壩壩坡穩(wěn)定性研究

從表2可以看出,在正常運行條件和非常運用條件Ⅰ、Ⅱ工況時,大壩上游側和下游側壩坡均滿足穩(wěn)定性要求。其中,在施工期時,大壩的上游側壩坡安全系數最小,為1.69,高于規(guī)范允許值1.30,為上游側壩坡的控制工況。正常蓄水位+設計地震(0.175g)工況下大壩下游側壩坡安全系數最小,為1.25,稍大于規(guī)范允許值1.20,下游側壩坡安全裕度較低。建議在施工時對上壩料進行嚴格控制,防止過多不合格料上壩而導致下游側壩坡抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。

表2 1#壩壩體穩(wěn)定計算成果匯總表

圖3為1#壩在各種工況下對應的劃弧位置及抗滑安全系數。從圖3可以看出,上游側劃弧主要是在混凝土面板附近產生,劃弧深度較淺;下游側劃弧主要產生在下游堆石Ⅱ區(qū)(全強風化料填筑區(qū)),劃弧深度較大,主要還是由于下游側壩料參數較低導致。

圖3 1#壩滲流穩(wěn)定計算成果

3.3 2#壩壩坡穩(wěn)定性研究

從表3可以看出,在正常運行條件和非常運用條件Ⅰ、Ⅱ工況時,大壩上游側和下游側壩坡均滿足穩(wěn)定性要求。其中,在施工期時大壩的上游側壩坡安全系數最小,為1.67,高于規(guī)范允許值1.30,為上游側壩坡的控制工況。正常蓄水位+設計地震(0.175g)工況下大壩下游側壩坡安全系數最小,為1.41,高于規(guī)范允許值1.20,為下游側壩坡的控制工況。

表3 壩體加固后穩(wěn)定計算成果匯總表

圖4為2#壩在各種工況下對應的劃弧位置及抗滑安全系數。從圖4可以看出,上游側劃弧主要是在混凝土面板附近產生,劃弧深度較淺;下游側劃弧主要產生在下游堆石I區(qū)(弱風化填筑區(qū)),因筑壩料參數較高,劃弧深度較淺。

圖4 2#壩滲流穩(wěn)定計算成果

4 結 論

本文以國內某擬建面板堆石壩為例,基于Autobank軟件,通過簡化畢肖普法,求解最危險圓弧滑面及相應安全系數,并對1#壩和2#壩在多種工況下的穩(wěn)定性進行了分析。結論如下:

1)1#壩和2#壩在正常運行工況、施工期、水位驟降以及地震工況下的抗滑穩(wěn)定性,均滿足規(guī)范要求,但下游側壩坡安全裕度較低。建議在施工時,對上壩料進行嚴格控制,防止過多不合格料上壩而導致下游側壩坡抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。

2)1#壩和2#壩上游側劃弧主要產生于混凝土面板附近,劃弧深度均較淺。下游側劃弧與填筑料參數關系密切,若采用全強風化料,劃弧深度較深;若采用弱風化料,劃弧深度較淺。

3)Autobank軟件可較好模擬土石壩在滲流作用下的穩(wěn)定問題,其內部有內置的鄧肯-張模型,可以克服主流大型軟件需二次開發(fā)的障礙,并可直接導入AutoCAD,為計算土石壩滲流穩(wěn)定提供了便利,可提高設計人員的工作效率。