考虑渗流作用的斜心墙土石坝坝坡稳定分析研究

2022-07-04吴坤伟

陕西水利 2022年5期

吴坤伟

（海南省红岭灌区管理中心,海南海口 202150）

1 引言

斜心墙土石坝为我国常见的土石坝坝型,在我国大中型土石坝工程中广泛采用。相比直心墙土石坝与沥青混凝土心墙坝,斜心墙土石坝的优点突出。直心墙土石坝的心墙为与坝体中部,不方便后期维修养护；沥青混凝土心墙造价较高,且心墙沥青混凝土骨料和沥青之间的粘结性能在渗透水作用下容易发生脱落。斜心墙土石坝的心墙结构位于土石坝坝体上游,便于后期维修养护,且位于上游的心墙可以较好地阻挡上游水库渗透水流进入。为评价土石坝的上下游坝坡的稳定性,相关学者开展了大量的研究。王力[1]等通过综合考虑渗流作用和长期蠕变作用下土石坝的滑坡变形分析,深入分析了土石坝的坝坡稳定；贾善坡[2]等通过考虑渗流作用-应力变形交互作用的土石坝裂缝扩展模型,分析了坝体裂缝的扩展状态。盛建龙[3]等通过考虑渗流作用及应力变形作用下基坑的边坡稳定,得到了深基坑边坡稳定安全系数的演变规律；刘圣尧[4]等通过分析考虑渗流作用下土石坝的坝坡稳定,得到了渗流作用对上下游坝坡的影响机理。然而,传统土石坝渗流、稳定计算过程中,一般主要针对直心墙坝、沥青混凝土心墙坝的计算分析较多,然而对考虑渗流作用下斜心墙土石坝的坝坡稳定分析研究较少。因此,本文以某斜心墙黏土心墙坝为研究对象,开展了考虑渗流作用的坝坡稳定分析,基于上下游坝坡的安全系数来评价斜心墙土石坝的安全性态。

2 工程概况

某水库总面积42 万m2。总库容526 万m3,控制流域面积43 km2。建有1 座主坝、l 座溢洪道、1 个输水管（包括进水塔1 座）和1 座发电站。主坝高37 m,坝顶长164 m,年供水300 万m3。土石坝的主坝体材料为砂砾石,防渗结构为黏土斜心墙,上游坝坡的坡比设计为1∶3,下游坝坡的坡比设计为1∶2.55。黏土斜心墙的尺寸为顶部宽度最小,随着顶部到底部墙面尺寸逐渐增大,心墙底部宽度最大,最大值与最小值分别1.5 m 与4.5 m。其中,黏土心墙上部的坡比为1∶3,靠近下侧的坡比为1∶2.5。

3 计算分析方法

3.1 计算原理

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）,坝体边坡稳定分析采用简化毕肖普法。运用此方法进行坝体边坡稳定计算时,采用有效应力强度指标进行计算。

工程上采用的土坡稳定分析方法,主要是建立在刚体极限平衡理论基础之上的。假设达到极限平衡状态时,土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。滑裂面上的各个点均处于极限平衡状态,满足摩尔-库伦强度条件。简化毕肖普法,假定滑动面为圆弧滑动面,近似考虑了土条间的相互作用力,通过建立力与力矩极限平衡方程,获得稳定安全系数值。本文中坝坡稳定渗流期的上下游坝坡及水库水位降落期的上游坝坡运用简化毕肖普法计算圆弧滑动稳定安全系数。

3.2 计算模型

根据大坝现状最大横断面简图建立有限元模型,模型范围为：大坝向上游与下游各取40 m,建基面以下取40 m。采用四边形单元为主、辅以三角形单元来进行有限元网格剖分,共包括5321 个单元,5409 个节点,得到的有限元网格见图1。

图1 大坝稳定计算有限元网格划分图

3.3 计算工况及计算参数

坝坡抗滑稳定复核计算是在防洪标准复核和渗流安全评价成果的基础上进行的。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）,并结合某水库工程的实际情况,确定的计算工况为：

（1）正常蓄水位290.30 m,下游对应水位248.00 m 的上下游坝坡；

（2）设计洪水位288.80 m,下游对应水位248.00 m 的上下游坝坡；

（3）校核洪水位291.60 m,下游对应水位248.00 m 的上下游坝坡；

（4）水位骤降工况Ⅰ：上游水位按水位降落速度0.5 m/d由正常蓄水位290.30 m 骤降至死水位265.00 m,相应下游水位248.00 m 的上游坝坡；

（5）水位骤降工况Ⅱ：上游水位按水位降落速度1.0 m/d由正常蓄水位290.30 m 骤降至死水位265.00 m,相应下游水位248.00 m 的上游坝坡。

某水库斜心墙土石坝稳定计算参数见表1。其中,坝壳砂砾料、防渗心墙、防渗斜墙、反滤层和坝基砂砾石覆盖层材料按照《某水库除险加固工程初步设计报告》选取,其余材料参数参照类似工程选取。

表1 大坝稳定计算参数表

4 计算结果分析

某水库斜心墙土石坝最大横断面上下游坝坡稳定复核计算结果见表2 以及图2～图6。由表2 可知,现状最大横断面上游坝坡在正常运用情况下的安全系数为2.115,在设计洪水位工况下的安全系数为2.103；在校核洪水位工况下的安全系数为2.084,大于最小安全系数1.15,均满足规范要求。因此,上游坝坡在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位下抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

表2 稳定计算结果

根据图2～图4 可知,考虑渗流作用下黏土心墙土石坝的渗流性态与混凝土面板堆石坝浸润线位置相似。可以看出,浸润线首先沿着心墙的上表面随着心墙迅速下降,到达心墙底部以后,平行于坝基面缓慢下降。上游坝坡的最危险滑弧位置基本覆盖上游坝坡,靠近坝顶的上滑动点位于坝顶向下3 m～5 m左右,且下部滑动点位于上游坝基向上2 m～3 m左右,满足常规土石坝最危险滑弧出现的一般规律。

图2 现状最大横断面正常蓄水位上游坝坡最危险滑弧位置示意图

图3 现状最大横断面设计洪水位上游坝坡最危险滑弧位置示意图

图4 现状最大横断面校核洪水位上游坝坡最危险滑弧位置示意图

现状最大横断面下游坝坡在正常运用情况下的安全系数为1.821,在设计洪水位工况下的安全系数为1.793,均大于最小安全系数1.25；在校核洪水位工况下的安全系数为1.774,大于最小安全系数1.15,均满足规范要求。因此,下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

由表2 可知,现状最大横断面上游坝坡在在正常蓄水位骤降至死水位（降落速度0.5 m/d）为2.054,在正常蓄水位骤降至死水位（降落速度1.0 m/d）为1.956,均大于最小安全系数1.25,均满足规范要求。因此,上游坝坡在水库骤降工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

根据图5～图6 可知,在水位骤降工况下,考虑渗流作用后黏土心墙土石坝的渗流浸润线位置明显出现降低的趋势。可以看出,浸润线首先穿过心墙迅速下降,到达心墙底部以后,仍然平行于坝基面缓慢下降,最终进入到排水棱体内部。在正常蓄水位骤降至死水位（降落速度0.5 m/d）工况下,在上游坝破的最危险滑弧位置基本覆盖上游坝坡,靠近坝顶的上滑动点位于坝顶向下1 m～2 m 左右,且下部滑动点位于上游坝基向上3 m～5 m 左右。但是,在正常蓄水位骤降至死水位（降落速度1.0 m/d）工况下,可以看出最危险滑弧的范围出现了明显的增大。