水利樞紐高邊坡穩定性及加固措施分析

洪 祥,宋亞紅

(如皋市水利建筑安裝工程有限公司,江蘇 南通 226500)

0 引 言

水利樞紐作為重要的水資源調節和利用工程,其高邊坡穩定性研究具有重要意義。高邊坡是指水利樞紐中的大壩、堤壩以及溢洪道、導流隧洞等工程結構中的垂直面或斜坡面,其穩定性直接關系到工程的安全運行和持久發展[1-2]。

一方面,水利樞紐高邊坡穩定性研究對于保障工程的安全運行至關重要。水利樞紐所承載的水壓力、地震力以及溫度變化等外部因素,都會對高邊坡的穩定性產生影響。通過深入研究高邊坡的穩定性特性和其受力機制,可以確定合適的抗滑穩定措施,提高工程的抗災能力和安全性,確保水利樞紐長期穩定運行,有效防止因高邊坡失穩引發的災害事故發生[3]。

另一方面,水利樞紐高邊坡穩定性研究對于生態環境的保護和地質災害的預防具有重要意義。水利樞紐的建設往往需要改變原有的地形地貌,對周邊生態環境產生一定的影響。通過科學研究高邊坡的穩定性問題,可以降低工程對生態環境的破壞,保護生態系統的穩定性和多樣性[4]。同時,在高邊坡穩定性研究中,也可以對地質災害進行評估和預測,提前采取措施,減少地質災害的發生,保護周邊地區的人民生命財產安全。因此,水利樞紐高邊坡穩定性研究的重要性不言而喻[5]。它不僅能夠保障工程的安全運行和持久發展,節約投資和減少工程風險,還能夠保護生態環境,預防地質災害[6]。

因此,本文以某水利樞紐高邊坡工程為研究背景,通過有限元軟件,探究水位變化過程中邊坡穩定性系數變化情況,揭示水位變化下的邊坡穩定性變化機理,為工程設計提供依據,制定邊坡坡度、支護結構和防護措施。合理的工程設計不僅能夠提高高邊坡的穩定性,減少工程風險,還能有效降低工程成本,提高工程的可持續性。

1 工程概況

本文以江蘇省某水利樞紐高邊坡為研究背景,該邊坡最高海拔670m,最低海拔580m,最陡處邊坡坡率0.8。地質從上到下共分為4層:第一層由卵石和粉質黏土組成;第二層為全風化云母石英片巖;第三層為強風化云母石英片巖;第四層為弱風化云母石英片巖。在邊坡坡腳處堆放有高度20m的大量棄土。

通過現場實勘發現,邊坡的局部穩定性差,出現開裂、滑移的現象。其中,3條變形的具體情況如下:1#處貫穿裂縫長25m,寬5cm,屬于淺土滑移;2#處滑移始于2013年,后緣錯坎高80cm,發生滑移的坡體長25m,寬30cm,厚2m。邊坡斷面圖見圖1。

2 有限元建模

本研究假設黏土巖體為理想彈塑性材料,而硬巖體為各向同性彈性材料。所有分析均在平面應變條件下進行。假定硬巖和黏土層的質量分別為一般和較差。硬巖的楊氏模量設為1GPa,而黏土的楊氏模量設為硬巖的1/20和1/50,目的是研究黏土的存在對巖質邊坡失穩的關鍵作用。假設硬巖的單位重量和泊松比分別為26.2kN/m3和0.2,處于優質巖體的合理范圍內。

基礎邊界定義為模型左右兩側表面和底面的法向位移固定為零,頂部邊界定義為不受約束可以自由變形。模型基于水庫橫截面積的高程讀數,使用六節點三角形單元生成。開發的有限元模型包含約22 606個單元和183 380個節點。土體參數的容重、黏聚力和內摩擦角從上至下分別為1.7g/cm3、11kPa、14°;2.2g/cm3、15kPa、35°;2.7g/cm3、40kPa、25°;2.77g/cm3、100kPa、35.6°;2.83g/cm3、140kPa、36.1°。具體模型見圖2。

圖2 模型圖

3 邊坡穩定性

3.1 靜止水位的影響

在靜止水位狀態下,邊坡穩定性系數的變化規律見圖3。由圖3可知,邊坡的穩定性系數隨著蓄水位的增加而增加,穩定性系數處于1.05～1.3之間。蓄水位的增加導致邊坡底部的水壓力增加。水在邊坡與土體之間產生的水壓力對土體施加一個向上的力,這種力有助于抵抗邊坡的下滑和傾覆。因此,隨著蓄水位的增加,邊坡底部的水壓力增大,使邊坡的穩定性系數增加。

圖3 靜止水位狀態下邊坡穩定性系數變化

此外,蓄水位的提高可能導致土體飽和線以下土體飽和度的增加。飽和土的內摩擦角通常較干燥土體小,表明飽和土體的剪切強度較低。在飽和度較低時,土體顆粒間的水分起到潤滑作用,從而降低了土體的抗剪強度。因此,隨著飽和度的增加,土體的抗剪強度增加,有助于提高邊坡的穩定性系數。但邊坡的整體穩定性均低于規范設定的安全閾值,須對其進行加固處理。

3.2 水位上升的影響

在靜止水位上升過程中,邊坡穩定性系數的變化規律見圖4。由圖4可知,邊坡的穩定性系數隨著蓄水位的增加呈現先減小后增大,最后趨于穩定。在蓄水位為628m處時,穩定性系數最小為1.088 9。蓄水位上升會增加水對邊坡的壓力,壓力作用下軟弱土層的穩定性減弱,導致整體穩定性系數下降。當水壓力的增加超過一定值時,可以填充邊坡中的孔隙空間,并提供一定的支撐作用,使邊坡的整體穩定性系數增大,從而提高邊坡的穩定性。從水位變化對邊坡安全系數影響的變化規律可以看出,蓄水位從623m增加至628m之間,堆積的土體逐漸處于飽和狀,邊坡的穩定性降低,此時易發生失穩破壞。

圖4 水位上升過程中邊坡穩定性系數變化

3.3 水位下降的影響

水位以0.3m/d的速度每下降6～7m過程中,邊坡狀態變化情況見圖5。由圖5可知,在水位為629～623m時,邊坡的滑動形態為圓弧狀,邊坡的影響范圍從坡頂到坡腳,且邊坡的滑動區域最大,此時的穩定性最差。當水位在636～629m時,滑動區域的影響厚度減小,腳部的應力集中,土體飽和。當水位處于643～636m時,滑動影響區域進一步減小,應力集中局域進一步下移;在水位處于643m時,腳部的應力集中最大,邊坡整體穩定性最好。

圖5 矢量云圖

水頭下降過程中,邊坡穩定性系數的變化規律見圖6。由圖6可知,隨著水頭下降,邊坡的穩定性系數呈線性下降。在水頭下降值達到15m時,邊坡穩定系數達到最小值;水頭下降超過15m后,邊坡的穩定性系數逐漸上升。

圖6 水頭下降過程中邊坡穩定性系數變化

首先,水力作用對邊坡穩定性產生重要影響。當水頭較高時,水流對邊坡施加的壓力較大,導致邊坡的穩定性系數較高。這是因為水流所帶來的慣性力、浸潤力和動壓力等會增大邊坡的受力,使其處于較為不穩定的狀態。當水頭下降時,這些水力作用逐漸減小,邊坡所受的壓力也相應減小,導致邊坡穩定性系數呈線性下降趨勢。

其次,邊坡材料的特性對穩定性系數的變化起重要作用。某些邊坡材料在水流沖刷下容易發生流失、潰決等現象,導致其穩定性下降。隨著水頭的下降,水流對邊坡的沖刷作用減弱,材料的流失現象減少,因此邊坡的穩定性系數下降。當水頭下降至15m時,邊坡材料經歷了最嚴重的流失和變形,導致邊坡穩定性系數達到最小值。當水頭繼續下降超過15m后,由于流失等現象已經達到極限,邊坡的穩定性系數開始逐漸上升。

因此,這種水頭與邊坡穩定性系數變化的關系是因為水力作用和邊坡材料特性相互作用的結果。水頭下降會減小水流對邊坡的壓力,降低邊坡穩定性系數。同時,邊坡材料的流失和變形會隨著水頭的下降而減少,提高邊坡穩定性系數。

3.4 穩定性系數對比

在不同水位區間中,水位上升和水位下降對邊坡穩定性系數的影響見圖7。變化幅度是由該區間的最高穩定性系數與628m處最小值的差值與628m處最小值的比值確定。由圖7可知,在水位從623m升高至628m的過程中,穩定性系數降低6.91%;從628m升高至643m的過程中,穩定性系數升高9.82%。在水位從628m下降至623m的過程中,穩定性系數增加10.43%;從643m下降至628m的過程中,穩定性系數降低14.5%,表明水位下降對邊坡的影響比上升更大。

圖7 穩定性系數對比

當水位降落時,從邊坡中排水的速度增加,導致孔隙水壓力的快速消散。這種快速消散可能引起邊坡內部的滲流和孔隙水流動,進而減小了邊坡材料之間的摩擦力和顆粒間的相互支撐作用,降低了邊坡的整體抗剪強度和穩定性。同時,邊坡材料可能因為瞬時排水而發生排水濕陷和松動,使邊坡結構的強度和穩定性進一步降低。相比之下,水位上升過程中,水流對邊坡的壓力增加,會增加邊坡的抗滑強度,并且水能對邊坡表面形成一定的沖刷保護層,有助于減少邊坡材料的流失和侵蝕。

因此,水位降落在較短時間內改變了邊坡內水力環境,破壞了邊坡的穩定性,因而比水位上升更容易引發邊坡破壞。

3.5 工程措施

為了降低邊坡滑動風險并保護橋梁基礎和路基安全,采取沿河道設置高24m的反壓護道、設立肋板墻段和錨索肋板墻防護3個重要措施。高24m的反壓護道通過提供支撐和阻擋效果穩定邊坡,抵消水頭對邊坡的壓力,有效降低滑動風險。設立肋板墻段進一步加強邊坡的抗滑能力,鋼筋混凝土板和肋柱結構提供了強大的抗剪和抗滑能力,伸縮縫的設置減少了應力集中,確保結構完整性。錨索肋板墻防護進一步增強了邊坡的穩定性和防護能力。通過使用鋼絞線錨索,將墻體與巖土體連接起來,提供了全面的支撐和防護效果。這些措施共同發揮作用,可減少邊坡滑動風險,保護橋梁基礎和路基的安全。通過沿河道設置反壓護道、肋板墻段和錨索肋板墻防護的綜合應用,可實現邊坡整體穩定,有效降低滑坡和坡面沉降的風險,確保交通運輸安全和基礎設施的長期穩定運行。

4 結 論

本文以某水庫路基邊坡為研究背景,通過有限元分析了水位變化過程對邊坡穩定性系數的影響,探討了水利樞紐高邊坡穩定性及加固措施。結論如下:

1)邊坡的穩定性系數隨著蓄水位的增加而增加,穩定性系數處于1.05～1.3之間。靜水位條件下,該邊坡的整體穩定性均低于規范設定的安全閾值,須對其進行加固處理。

2)邊坡的穩定性系數隨著蓄水位的增加呈現先減小后增大,最后趨于穩定。在蓄水位為628m處時,穩定性系數最小為1.088 9。

3)隨著水頭下降,邊坡的穩定性系數呈線性下降。在水頭下降值達到15m時,邊坡穩定系數達到最小值;水頭下降超過15m后,邊坡的穩定性系數逐漸上升。