庫(kù)中堆石壩壩坡穩(wěn)定性分析

曹 智,張宏偉,邱珍鋒

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶400074)

庫(kù)中堆石壩壩坡穩(wěn)定性分析

曹 智,張宏偉,邱珍鋒

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶400074)

以重慶市萬(wàn)州區(qū)天仙湖堆石壩為研究對(duì)象,采用極限平衡法分別研究了“不同水位工況”“是否加設(shè)蓋重”以及“庫(kù)區(qū)水位變化”等因素對(duì)上下游壩坡穩(wěn)定性的影響.分析結(jié)果表明:加設(shè)蓋重能夠行之有效地提高壩坡穩(wěn)定性;且加設(shè)蓋重后最危險(xiǎn)的水力條件出現(xiàn)在上游庫(kù)區(qū)水位下降的過(guò)程之中,其水位高程約為158.00 m,對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)Fs為1.320.對(duì)于水位升降的不同變化情況,壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)走勢(shì)各有特點(diǎn):水位驟降時(shí),壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)先減小后增大,而水位驟升時(shí)卻相對(duì)平緩.

庫(kù)中壩;壩坡穩(wěn)定性;極限平衡法;安全系數(shù);水位變化

0 引言

壩坡的穩(wěn)定性對(duì)于土石壩的整體安全起到至關(guān)重要的作用.現(xiàn)有的研究成果表明,壩坡的穩(wěn)定性主要受水庫(kù)的蓄水位以及水位波動(dòng)的影響:一方面,水的軟化作用降低了壩體及滑動(dòng)面的物理、力學(xué)性質(zhì);另一方面,上下游水位驟降等因素產(chǎn)生的動(dòng)水壓力增大了壩坡失穩(wěn)的可能.國(guó)內(nèi)外關(guān)于上述兩方面的影響已經(jīng)做了大量研究與報(bào)道.[1-4]

通常我們所見的大壩均為一側(cè)為迎水面,另一側(cè)則為背水面.然而,由于某些原因致使某些壩體的兩側(cè)壩坡均位于水庫(kù)或者其他水域之中,我們稱此類壩為“庫(kù)中壩”.較之于僅上游壩坡迎水的壩體而言,庫(kù)中壩的水力條件相對(duì)復(fù)雜.由于下游壩坡與上游類似,同樣受到不同水位工況以及水位變化帶來(lái)的不穩(wěn)定因素影響,因此有必要做此方面的相關(guān)研究與校核.

鑒于此,本文以位于重慶市萬(wàn)州區(qū)的天仙湖堆石壩工程為例,采用極限平衡法,[5]并使用河海大學(xué)巖土所編制的SLP程序分析,對(duì)壩頂灌漿之后的大壩在“不同水位工況”“是否加設(shè)蓋重”以及“庫(kù)區(qū)水位變化”等因素作用下的壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究.

1 工程概況

天仙湖堆石壩工程由右岸堆石壩段、河床埋石混凝土溢流重力壩段和左岸埋石混凝土非溢流重力壩段組成,壩軸線總長(zhǎng)275.60m.其中,右岸堆石壩段軸線長(zhǎng)126.90m,河床壩段和左岸壩段總長(zhǎng)100.00 m.校核洪水位為173.67 m(吳淞高程),死水位為152.00 m.

作為三峽水庫(kù)的庫(kù)中壩,天仙湖堆石壩的下游為三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū),由于大壩攔截苧溪河的原因,在大壩的上游后天形成人工景觀湖——天仙湖.特殊的水文、地質(zhì)等條件使得天仙湖堆石壩特點(diǎn)明顯.

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)要求,右岸的堆石壩壩段可分為上游蓋重、上游主堆石區(qū),壩頂碎石墊層、壩頂過(guò)渡區(qū)、混凝土灌漿區(qū)、下游主堆石區(qū)、下游次堆石區(qū)、下游壓重以及壩基覆蓋層.根據(jù)王俊杰等提出的邊坡簡(jiǎn)化計(jì)算方法,[6]將壩體剖面簡(jiǎn)化如圖1所示.

圖1 天仙湖堆石壩壩體計(jì)算剖面圖

2 計(jì)算方案及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算方案

按照規(guī)范要求,應(yīng)采用簡(jiǎn)化畢肖普法分析壩坡的靜力抗滑穩(wěn)定性,但考慮到畢肖普法可能出現(xiàn)數(shù)值計(jì)算上的問(wèn)題,[7]須同時(shí)采用瑞典法.此外,若未特別說(shuō)明均按照簡(jiǎn)化畢肖普法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析論述.

計(jì)算工況所選水位考慮最不利因素,分別選取上游設(shè)計(jì)洪水位、上游死水位、下游的最高水位和下游最低水位進(jìn)行計(jì)算分析.

根據(jù)天仙湖水庫(kù)及三峽水庫(kù)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),兩側(cè)庫(kù)水位變化情況分別為:上游水位由天仙湖水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水位173.67 m降至死水位152.00 m,下游水位由三峽庫(kù)區(qū)的173.60 m降至143.30 m.

計(jì)算方案共計(jì)12種組合,見表1、表2.

表1 正常工況計(jì)算方案

2.2 參數(shù)選取

計(jì)算采用線性強(qiáng)度參數(shù),線性強(qiáng)度是指抗剪強(qiáng)度τf與法向應(yīng)力σ之間呈直線關(guān)系,因而可以用強(qiáng)度指標(biāo)c和φ來(lái)計(jì)算抗剪強(qiáng)度.

重度γ的取值作以下說(shuō)明:在未考慮水位驟降時(shí),計(jì)算水位以上的土體取天然容重計(jì),以下的取浮容重計(jì);在水位驟降的相關(guān)計(jì)算中,驟降起始高水位以上的土體取天然容重,驟降結(jié)束后低水位以下的土體取浮容重計(jì),而兩水位之間的土體取飽和容重計(jì);混凝土灌漿區(qū)視為不透水,即其重度的取值不隨水位改變而改變.

考慮到已建壩體在施工、運(yùn)行多年后的實(shí)際參數(shù)通常與起初的設(shè)計(jì)值相差很大,因此,通過(guò)參數(shù)反演計(jì)算,[8]得其壩基覆蓋層、混凝土灌漿區(qū)、上下游主堆石、下游次堆石、上下游蓋重、過(guò)渡層、壩頂碎石等筑壩料的計(jì)算參數(shù),結(jié)果見表3.

表2 水位變化工況計(jì)算方案

表3 筑壩材料物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算,上述12種計(jì)算方案的安全系數(shù)Fs計(jì)算結(jié)果見表4.

表4 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

可見,簡(jiǎn)化畢肖普法的計(jì)算結(jié)果均大于瑞典法,平均高出8.8%,符合一般規(guī)律.

3.1 蓋重對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響

結(jié)果表明,無(wú)蓋重的計(jì)算結(jié)果普遍偏低,同時(shí),最危險(xiǎn)的水力條件出現(xiàn)在方案1之中,并且未滿足規(guī)范的穩(wěn)定要求.

相反,加設(shè)上下游蓋重后,相應(yīng)計(jì)算方案(5~8)的安全系數(shù)均有所提高,上下游壩坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs平均分別提高23.7%和7.9%.就整體數(shù)據(jù)而言,加設(shè)蓋重后的安全系數(shù)平均提高15.8%.提高幅度尤其在安全系數(shù)較低的上游壩坡更加明顯,即蓋重在改善壩坡的穩(wěn)定性方面作用顯著.

同時(shí)還發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致安全系數(shù)Fs提高的原因主要是蓋重能給覆蓋層及壩坡土體一定的壓重,在其自身結(jié)構(gòu)完整并且未發(fā)生局部失穩(wěn)的前提之下,能夠有效地提高壩坡的抗滑力.

3.2 水位變化對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響

細(xì)分上下游水位變化的過(guò)程,以進(jìn)一步研究加設(shè)蓋重后的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的變化趨勢(shì).計(jì)算結(jié)果經(jīng)整理后見圖2.

圖2 壩坡穩(wěn)定性與水位關(guān)系

對(duì)于上游壩坡,其安全系數(shù)Fs的最小值大概出現(xiàn)在庫(kù)水位下降15.67 m時(shí),即158.00 m水位高程附近,此時(shí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.320,滿足規(guī)范要求.該危險(xiǎn)水位位于滑坡體的下部,約占整個(gè)滑坡體總高度的25.3%,即＝25.3%,見圖3(a).

下游壩坡的水位驟降也有類似現(xiàn)象,但Fs增大的過(guò)程并非出現(xiàn)在173.60~143.30 m水位變化范圍之內(nèi),而是出現(xiàn)在低于143.30 m水位高程之下.可以認(rèn)為,在三峽水庫(kù)水位變化的范圍之內(nèi),大壩下游邊坡在水位驟降過(guò)程中的最小值安全系數(shù)Fs位于143.30 m水位高程附近,即三峽水庫(kù)庫(kù)水位變化的最低水位處.該危險(xiǎn)水位所處的位置同樣位于滑坡體的下部,約占整個(gè)滑坡體總高度的39.0%,即＝39.0%,見圖3(b).

由圖2可知,水位驟降時(shí),上下游壩坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的最小值既不出現(xiàn)在最高水位,也不出現(xiàn)在最低水位,而是出現(xiàn)在水位變化過(guò)程之中的某個(gè)水位,具體的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先減小,然后逐漸增大.

圖3 水位驟降危險(xiǎn)滑弧的位置示意圖

水位驟升時(shí),上下游壩坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的變化趨勢(shì)相對(duì)平緩得多,分別在1.355和1.536附近較小范圍內(nèi)波動(dòng),與水位驟降時(shí)大不相同.這一現(xiàn)象與本文所采用的極限平衡法的計(jì)算原理有關(guān),由于未考慮土石材料經(jīng)水浸泡后的強(qiáng)度弱化效果以及壩內(nèi)的滲流作用,僅從對(duì)壩坡的受力分析來(lái)看,水位上升對(duì)壩坡穩(wěn)定并沒有削弱的作用.

4 結(jié)語(yǔ)

1)最危險(xiǎn)的水力條件出現(xiàn)在上游水位下降的過(guò)程中,其水位高程約為158.00 m,對(duì)應(yīng)安全系數(shù)Fs為1.320.建議天仙湖水庫(kù)不宜放空,并且應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)、合理的水位調(diào)控方案.

2)蓋重在自身結(jié)構(gòu)完整、未出現(xiàn)局部性失穩(wěn)的前提下,能行之有效地改善壩坡的穩(wěn)定性.建議在條件允許的情況下加強(qiáng)蓋重,并對(duì)其進(jìn)行必要的安全監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理,確保蓋重的正常功能發(fā)揮.

3)本文不足之處在于:二維計(jì)算的局限性,未考慮浸水后土石材料的軟化以及壩內(nèi)滲流等問(wèn)題,因此,所得分析評(píng)價(jià)結(jié)論與實(shí)際情況可能存在出入.建議將土石材料浸水后軟化及壩內(nèi)滲流加以考慮,并做必要的物理模型試驗(yàn)以進(jìn)一步研究.

[1]張衛(wèi)民,陳蘭云.地下水位線對(duì)土坡穩(wěn)定的影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(S2):5319-5322.

[2]中村浩之,王恭先.論水庫(kù)滑坡[J].水土保持通報(bào),1990(1):53-64.

[3]MORGENSTERN N.Stability charts for earth slopes during rapid drawdown[J].Geotechnique,1963,13(2):123 -131.

[4]毛昶熙,段祥寶,李祖貽,等.滲流數(shù)值計(jì)算與應(yīng)用[M].南京:河海大學(xué)出版社,1981.

[5]BISHOP A W.The Use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Slope[J].Geotechnique,1955,5(1):7-17.

[6]王俊杰,陳錦璐.階梯型均質(zhì)邊土坡的穩(wěn)定性分析[J].水電能源科學(xué),2011,29(1):73-75.

[7]林繼鏞.水工建筑物[M].5版.北京:中國(guó)水利水電出版社,2009.

[8]顧沖時(shí),吳中如.綜論大壩原型反分析及其應(yīng)用[J].中國(guó)工程科學(xué),2001,3(8):76-81.

(責(zé)任編輯 張爭(zhēng))

Analysis of Slope Stability of Rock-Fill Dam in Three Gorges Reservoir

Cao Zhi,Zhang Hongwei,Qiu Zhenfeng
(School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)

Based on the limit equilibrium method,the slop stability of the Tianxian lake sediment storage dam has been analyzed.As the both sides of the dam are in the water,various factors have been considered such as“different water-level conditions”,“construction of seepage berms”,and“the water-level variations”and so on.The result shows,the construction of seepage berms could effectively improve the stability of dam slopes.After constructing seepage berms,the most dangerous hydraulic condition comes up at the level about 158.00m during the process of the rapid drawdown of the upstream,and whose safety factor is 1.320.The different conditions of water-level variation showed different tendency of safety factors.The tendency of safety factors decreased as the reservoir water rapidly drawdown and then increased gradually.However,when the reservoir water rapid rise,the tendency are relatively smooth.

the dam in reservoir;the stability of the dam slope;the limit equilibrium method;safety factor; the water-level variation

TU472.3

A.

1671-3079(2014)03-0110-04

10.3969 /i.issn.1671-3079.2014.03.021

2014-03-25

曹智(1990- ),男,湖南耒陽(yáng)人,重慶交通大學(xué)河海學(xué)院碩士研究生,主要從事水利工程及巖土工程方向的研究.

時(shí)間:2014-05-09 14:41 網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1273.Z.20140509.1441.001.html