壩頂通車對庫中壩壩坡穩(wěn)定性的影響

王濤+張宏偉+劉健+曹智+邱珍鋒

摘要：基于極限平衡法的靜力分析方法，考慮線性強(qiáng)度指標(biāo)，以重慶市天仙湖庫中壩為例，分析了壩頂通車與否，上下游壩坡在正常運(yùn)用與水位驟降工況下的穩(wěn)定性。分析表明，壩頂通車時上下游壩坡安全系數(shù)比不通車時小，即壩頂通車對壩坡穩(wěn)定性存在一定影響，但影響較小。且壩頂通車對上游壩坡穩(wěn)定性的影響較大。就滑弧而言，壩頂通車時壩坡滑弧穿過灌漿區(qū)與蓋重。對于庫中壩，上下游水位對壩坡穩(wěn)定性的影響是顯著的，必須同時考慮上下游壩坡的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：庫中壩；壩頂通車；壩坡穩(wěn)定；水位驟降

中圖分類號：TV641.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

1672-1683（2015）001-0196-03

Influence of vehicle load on dam crest to stability of dam slope in other reservoir

WANG Tao1，ZHANG Hong-wei2，LIU Jian1，CAO Zhi2，QIU Zhen-feng2

（1.Chongqing Surveying and Design Institute of Water Resources，Electric Power and Architecture，Chongqing 400020，China；

2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：Based on the limit equilibrium method on the static analysis，the dam in the three gorges reservoir located in Tianxian Lake in Chongqing municipality was analyzed to confirm the stability of slope in upstream and downstream with vehicle load or not，also including normal operation and rapid drawdown condition，and considering the linear strength index.By comparing，the safety factor of the dam slope with vehicle load on dam crest is lower than it of the dam slope without vehicle load.In other words，vehicle load on dam crest has influence on the stability of slope，but the influence is less.And vehicle load on dam crest has greater influence on the stability of upstream dam slope.As for the slip circle，they under vehicle load on dam crest thread the grouting area and seepage berms.For the dam in other reservoir，the water levels have important influence on the stability of slope in upstream and downstream，and the stability of the upstream and downstream dam mast both be considered.

Key words：the dam in other reservoir；vehicle load on dam crest；the stability of the dam slope；rapid drawdown

隨著我國高壩的修筑與城市景觀的需要，一些壩體成為了庫中壩。由于庫中壩的特殊位置，故其須在自身水庫蓄水情況下，保證下游水庫蓄水時壩體的安全性，并可能出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象。

壩坡穩(wěn)定分析是土石壩設(shè)計(jì)與安全評估的重要依據(jù)[1]?；炷撩姘宥咽瘔螌儆谕潦瘔畏懂牐话憧刹贿M(jìn)行穩(wěn)定分析[2]，但是對已修面板堆石壩面板出現(xiàn)嚴(yán)重的毀壞進(jìn)行壩坡穩(wěn)定性分析必不可少。壩頂通車情況是很多已建大壩面臨的問題，水庫大壩壩頂作為車輛行駛的重要公路，會對大壩工程安全造成一定程度的不良影響[3]，相關(guān)研究表明速度引起的變化幅值要小于載重引起的變化幅值[4-5]，壩坡穩(wěn)定性分析時，可以只考慮靜荷載，而忽略車速，使分析簡化為靜力抗滑穩(wěn)定性分析。

剛體極限平衡方法是工程上應(yīng)用最為廣泛和最為成熟的壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算方法。瑞典圓弧法與簡化畢肖普法問

世至今，接受了眾多工程檢驗(yàn)，表明隨著線性指標(biāo)分析土石壩的穩(wěn)定安全系數(shù)工程經(jīng)驗(yàn)的大量積累，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的大壩的安全度比較成果是可信的，可以保證大壩的安全[6]。

本文以重慶天仙湖面板堆石壩工程為例，采用河海大學(xué)巖土所SLP程序，考慮線性強(qiáng)度指標(biāo)，以瑞典條分法與簡化畢肖普法定量求解各方案壩坡安全系數(shù)，評價了壩頂通車與否對該堆石庫中壩在各種運(yùn)用情況下的壩坡靜力抗滑穩(wěn)定性，并給出一定的建議，以期對類似工程問題的分析工作提供借鑒作用。

1工程概況

重慶萬州區(qū)天仙湖面板堆石壩位于三峽庫區(qū)中，成為了庫中壩。其設(shè)計(jì)洪水位為173.67 m，死水位為152.00 m，下游為三峽庫區(qū)最高水位為173.60 m，最低水位為143.30 m。由于保證三峽庫區(qū)的運(yùn)行，天仙湖面板堆石壩下游最高水位高程高于灌漿帷幕頂?shù)母叱蹋霈F(xiàn)倒灌現(xiàn)象。endprint

現(xiàn)計(jì)劃在天仙湖面板堆石壩頂通車以滿足交通需。其設(shè)計(jì)功能主要是攔砂，沒有考慮到交通情況。同時天仙湖面板堆石壩的面板出現(xiàn)嚴(yán)重的毀壞，并做了一次灌漿處理（灌漿孔雙排布置，排拒2 m，孔距1.5 m。），故需做壩頂通車情況時上下游壩坡的穩(wěn)定分析，以確定壩頂通車的可行性問題。

2計(jì)算與分析

2.1計(jì)算斷面

由于天仙湖面板堆石壩上游面板出現(xiàn)嚴(yán)重毀壞，所以計(jì)算斷面不考慮面板，而將灌漿帷幕作為該壩的唯一防滲體，計(jì)算斷面采用壩體的最大橫斷面，按壩體結(jié)構(gòu)要求，將其分為10個區(qū)域。根據(jù)王俊杰[7]等提出的邊坡簡化方法，將壩體剖面簡化，見圖1。

2.2計(jì)算參數(shù)

（1）材料參數(shù)。

計(jì)算用線性強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行，線性強(qiáng)度是指抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間呈直線關(guān)系，因而可以用強(qiáng)度指標(biāo)c和來計(jì)算抗剪強(qiáng)度。計(jì)算所需筑壩料的參數(shù)通過對參數(shù)反演得到。各筑壩材料的計(jì)算參數(shù)見表1。

圖1計(jì)算斷面

表1壩體材料物理力學(xué)線性參數(shù)

對于水位延長線以下的土體，其容重取為浮容重。在水位驟降情況下，驟降區(qū)間以上的土體采用天然容重，驟降區(qū)間以下的土體采用浮容重，驟降區(qū)間的土體采用飽和容重進(jìn)行計(jì)算。在天然容重的基礎(chǔ)上加0.2 kN/m3即為飽和容重值。對于黏聚力及內(nèi)摩擦角的取值則不做改變，即不考慮水對土體強(qiáng)度的影響。

（2）車輛荷載參數(shù)。

在忽略車速對壩坡穩(wěn)定性的影響后，將壩頂通車荷載簡化為靜荷載。由于混凝土路面強(qiáng)度比壩體其他材料參數(shù)高出許多，故壩頂受車輛荷載作用下，壩體變形比路面大。根據(jù)Saint-Venant原理，車輛荷載可看作為作用在壩頂?shù)木己奢d。壩頂在均布靜荷載的作用，其最危險(xiǎn)的荷載分布情況為沿著壩頂公路布滿荷載，對于二維情況，則是在壩頂公路沿著橫斷面方向布滿均布靜荷載。

依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2003），該壩頂公路定為二級公路。公路-Ⅰ級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5 kN/m；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值pk按以下規(guī)定選取：橋涵計(jì)算跨徑小于或等于5 m時，pk=180 kN。公路-Ⅱ級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值pk為公路-Ⅰ級車道荷載的0.75倍。將集中荷載pk均分布到8 m寬的壩頂路面，疊加車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk，得到壩頂均布車道荷載24.75 kN/m。

2.3計(jì)算方法

按照規(guī)范要求極限平衡法分析壩坡靜力抗滑穩(wěn)定性應(yīng)采用簡化的畢肖普法。由于畢肖普法保留了瑞典法圓弧形滑裂面和力矩平衡條件，但是考慮了土條間作用力在法線方向的貢獻(xiàn)[8]，所以就計(jì)算結(jié)果而言，畢肖普法計(jì)算的安全系數(shù)應(yīng)大于瑞典法。當(dāng)假定滑動面上的抗滑系數(shù)相同時，畢肖普法計(jì)算結(jié)果更加合理[9-10]。

考慮到畢肖普法可能出現(xiàn)數(shù)值計(jì)算上的問題[11]，故須做瑞典法計(jì)算，以作為驗(yàn)證與對比，當(dāng)瑞典法計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)小于畢肖普法結(jié)果時，應(yīng)重新計(jì)算。同時，瑞典法作為條分法中最古老而又最簡單的方法[12]，其計(jì)算結(jié)果也有一定的參考價值。計(jì)算時不考慮滲流的影響。

采用河海大學(xué)所編SLP計(jì)算程序。該計(jì)算程序可在考慮復(fù)雜的加荷與水位變化情況下，作總應(yīng)力法與有效應(yīng)力法計(jì)算。在運(yùn)用該軟件運(yùn)算時，將壩頂車輛荷載換算成容重為γ=10 kN/m3，黏聚力c=0與φ=0內(nèi)摩擦角的相應(yīng)土層。

2.4穩(wěn)定性分析

根據(jù)天仙湖庫中壩上游的正常運(yùn)行工況，以及三峽水庫的運(yùn)行水位，將分析該庫中壩壩坡在水庫不同運(yùn)行工況下，壩頂通車對壩坡穩(wěn)定性的影響。水庫運(yùn)行工況不僅考慮上下游最高與最低水位，同時考慮水位驟降的運(yùn)行工況。具體設(shè)計(jì)的分析方案見表2。

根據(jù)計(jì)算斷面，由材料分區(qū)及相應(yīng)水位，劃分不同材料層，編寫SLP軟件計(jì)算所需的文件，然后經(jīng)行計(jì)算。在不考慮滲流對壩坡穩(wěn)定影響的情況下，計(jì)算結(jié)果見表2。

綜合分析表2可知如下結(jié)果。

（1）對比瑞典法、畢肖普法計(jì)算結(jié)果可知，畢肖普法計(jì)算安全系數(shù)比瑞典法約提高8.1%～11.5%。壩頂通車與否，上下游壩坡在各運(yùn)行工況下，存在瑞典法計(jì)算結(jié)果低于130，畢肖普法計(jì)算的結(jié)果在1.30左右的方案，這表明了上下游壩坡的安全儲備較小，其收受到水位的影響是顯著的。故對于庫中壩而言，上下游水位對壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)影響是顯著的，必須引起足夠的重視。

（2）壩頂通車對壩坡穩(wěn)定的影響。

表2計(jì)算方案與安全系數(shù)

由圖2可知，在正常運(yùn)用工況下，壩頂通車時安全系數(shù)約降低2.5%～3.1%（上游壩坡）與1.5%～4.0%（下游壩坡），水位驟降工況下，壩頂通車時安全系數(shù)約降低2.6%（上游壩坡）與1.7%（下游壩坡）。即壩頂通車會對壩坡安全系數(shù)產(chǎn)生影響，但影響較小。這是由于壩頂通車時， 車輛靜荷載增加滑動效應(yīng)的同時也增加了抗滑效應(yīng)，但增加的滑動效應(yīng)比增加的抗滑效應(yīng)大。就對上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響的程度而言，壩頂通車對上游壩坡的穩(wěn)定性影響較大，這是由于上游壩坡較陡的緣故。

圖2壩頂通車與否的壩坡安全系數(shù)

為了全面分析壩坡的安全穩(wěn)定性，將安全系數(shù)結(jié)合滑弧經(jīng)行分析。由圖3、圖4可知，壩頂通車時的滑弧深度較深、長度較長，且其滑弧穿過了灌漿區(qū)與蓋重。對于上游壩而言，不通車時滑弧沒有穿過灌漿區(qū)，而通車后，滑弧則通過了灌漿區(qū)。對于下游壩坡而言，其在水位為143.30 m時，滑弧的滑出點(diǎn)均高于水位線，當(dāng)壩頂不通車時的滑弧最低點(diǎn)略高于水位線，表明此時的壩坡滑動面已經(jīng)不受水位的影響，但壩頂?shù)耐ㄜ嚂r滑弧的最低點(diǎn)低于水位線。

圖3上游最低的安全系數(shù)與對應(yīng)滑弧位置

圖4下游最低的安全系數(shù)與對應(yīng)的滑弧位置

由圖5、圖6可知，水位驟降工況下，無論壩頂通車與否，滑弧都穿過灌漿區(qū)，滑弧的切入點(diǎn)幾乎相同，滑出點(diǎn)都在蓋重的邊界上，這表明若進(jìn)一步加固灌漿區(qū)與加強(qiáng)蓋重，將會增加壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。壩頂通車時，上游壩坡滑弧的滑出點(diǎn)較高，而下游壩坡的滑弧滑出點(diǎn)則較低。

圖5上游水位驟降的安全系數(shù)與相應(yīng)滑弧位置

圖6下游水位驟降的安全系數(shù)與相應(yīng)滑弧位置

3結(jié)語

（1）就安全系數(shù)而言，壩頂通車時壩坡安全系數(shù)較小，即其對壩坡穩(wěn)定性存在一定影響，但影響較小。從對上下游影響的程度看，壩頂通車對上游壩坡的影響比下游大。就滑弧位置而言，壩頂通車時壩坡滑弧都穿過灌漿區(qū)與蓋重。

（2）本文將車輛荷載由動荷載簡化為靜荷載，同時未考慮水對土體強(qiáng)度的影響以及滲流作用，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際存在一定的差異，建議工程應(yīng)用中結(jié)合考慮了以上因素計(jì)算結(jié)果與本文結(jié)果結(jié)合，經(jīng)行綜合分析。參考文獻(xiàn)：

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