临淮岗水利工程南副坝稳定性分析

2019-08-27赵雯雯

陕西水利 2019年7期

赵雯雯

（山东省临沂市刘家道口枢纽工程供水管理处，山东临沂 276000）

1 引言

水利工程建设具有重要的防洪、发电作用，是一项重要的民生工程。水利工程建筑的稳定性对确保水利工程的正常使用具有重要的意义。李德群等[1]对黄河某地水库蓄水后，土坝中裂缝的形成机理进行分析，认为多种原因造成了土坝中裂缝的形成，主要包括土体自身性质和施工质量。王开拓等[2]使用数值模拟方法对水位下落时土石坝的渗流场稳定性以及坝坡稳定性进行分析，结果表明随着水位下降坝坡稳定性情况表现为“降低—回升—平缓”的过程。岑威钧等[3]、张继勋等[4]使用有限元数值模拟的方法研究土工膜缺陷时土石坝的渗流场特征以及坝坡的稳定性情况，认为土工膜结构的完整性对坝坡稳定性具有较大的影响作用。杨杰等[5]使用有限元数值模拟方法对书库蓄水后边坡稳定性进行分析，取得了较好的计算结果，可为实际工程提供参考。骆辛磊[6]对溃坝的成因进行分析，认为多种原因引起了大坝的溃决，且大坝溃决将会造成难以估量的损失，需要提前做好防治预案。尹吉娜等[7]、王冬林等[8]、徐杨军等[9]、吴传余[10]使用多种方法对库水位下降时岸坡的稳定性进行研究，认为水位下降过程中，岸坡的稳定性是一个动态的变化过程。

引起坝坡稳定性变化的因素众多，本文在前人研究的基础上对临淮岗水利工程南副坝稳定性进行研究。

2 工程背景

临淮岗水利工程是淮河流域的一项重要水利工程，是国家“十五”计划项目也是治淮19项骨干工程之一，地处霍邱县和颍上县相接位置的临淮岗，涉及两省（安徽省、河南省）。临淮岗水利工程主体工程穿越安徽省三个县（霍邱县、颍上县、阜南县），流域控制面积可达4万多km2，是一项等大（1）型工程。工程按照百年一遇的洪水设计，滞洪80多亿m3，使用千年一遇的洪水标准进行校核，滞洪120多亿m3。工程设计标准满足使用要求。临淮岗从2001年开始动工至2006年主体工程通过验收。

3 水位变化过程中南副坝稳定性特征

3.1 数值模拟基本原理

渗流满足达西定律，其基本原理如下：

式中：Q表示渗流量；A为垂直水流方向的截面积；h1-h2表示水头差；L表示渗流长度。

各个方向上的渗流速率为 vx、vy、vz：

式中：H表示水头；kx、ky、kz分别表示不同方向的渗透系数。

3.2 模型建立和参数选取

临淮岗大坝由主坝和南、北副坝组成，全长77.51 km。主坝长8.54 km，坝顶宽10 m，坝顶高程31.7 m。南副坝修葺材料为土，是一座均质土坝。南副坝全长8.41 km。坝顶高程为32.15 m，坝顶宽度为6 m~8.5 m，最大的坝高为11.0 m，迎水坡、背水坡坡比均为1∶3。2002年10月临淮岗南副坝开始动工，2005年8月完成施工工作。

图1 临淮岗水利工程南副坝

采用GEO-SLOPE软件中的渗流模块（SEEP/W）进行数值模拟计算。该模块目前广泛应用于饱和—非饱和渗流计算中，通过现场调查选取计算参数。

根据南副坝的尺寸规模建立二维数值模拟模型，模型总长37 m，高为13 m，其中南副坝净高11 m。模型采用均质材料。在天然工况下（正常蓄水位）情况下，地下水位与库水位高程基本保持水平状态。

图2 数值模拟模型

表1 数值模拟参数取值

3.3 天然工况下水位上升过程中南副坝稳定性变化情况

模拟天然工况下，库水位从1 m上升至10 m的过程中，南副坝稳定性的动态变化过程，水位上涨速度为0.6 m/d。稳定性系数动态变化过程如图3所示。

在该工况下南副坝稳定性系数最小为1.06，南副坝稳定性较好，稳定性系数呈现出先减小后增大的变化趋势。稳定性系数先减小是因为在地下水位上升的过程中，南副坝坡脚遭受库水浸泡，稳定性系数降低，当水位到达6 m时，南副坝稳定性到达最低值，随后随着库水水位的上升，南副坝稳定性系数又缓慢提高，水压力对于南副坝的稳定性具有一定的促进作用，有利于提高南副坝的稳定性。

图3 水位上升过程中南副坝稳定性变化

3.4 天然工况下水位下降过程中南副坝稳定性变化情况

在水位上升到10 m后，保持3天的稳态，发现南副坝稳定性系数相对减小，为1.18，这是因为随着库水的入渗，南副坝坡体内部达到饱和状态，有效应力降低，南副坝稳定性系数产生相应的降低，但整体稳定性仍然相对较好。

保持稳态状态结束后，模拟库水位下降过程中南副坝的稳定性情况。模拟水位从10 m逐渐回落至1 m，水位下降速率仍然为0.6 m/d。稳定性系数动态变化过程如图4所示。

在该工况下南副坝稳定性系数最小为1.05，南副坝稳定性较好，稳定性系数呈现出先减小后增大的变化趋势。当水位到达6 m时，南副坝稳定性到达最低值，随后随着库水水位的下降，南副坝稳定性系数又缓慢提高。水位下降过程中，南副坝岩土体处于饱和状态，水位的下降造成水压力减小，但坡体内部的水并未完全排出，岩土体处于饱和状态，抗滑力小、下滑力大稳定性较差，随着水位的继续下降，南副坝中的水逐渐排出，南副坝稳定性得到相应的提升，但稳定性较蓄水前相对较低。