臨淮崗水利工程南副壩穩(wěn)定性分析

趙雯雯

（山東省臨沂市劉家道口樞紐工程供水管理處，山東 臨沂 276000）

1 引言

水利工程建設具有重要的防洪、發(fā)電作用，是一項重要的民生工程。水利工程建筑的穩(wěn)定性對確保水利工程的正常使用具有重要的意義。李德群等[1]對黃河某地水庫蓄水后，土壩中裂縫的形成機理進行分析，認為多種原因造成了土壩中裂縫的形成，主要包括土體自身性質和施工質量。王開拓等[2]使用數(shù)值模擬方法對水位下落時土石壩的滲流場穩(wěn)定性以及壩坡穩(wěn)定性進行分析，結果表明隨著水位下降壩坡穩(wěn)定性情況表現(xiàn)為“降低—回升—平緩”的過程。岑威鈞等[3]、張繼勛等[4]使用有限元數(shù)值模擬的方法研究土工膜缺陷時土石壩的滲流場特征以及壩坡的穩(wěn)定性情況，認為土工膜結構的完整性對壩坡穩(wěn)定性具有較大的影響作用。楊杰等[5]使用有限元數(shù)值模擬方法對書庫蓄水后邊坡穩(wěn)定性進行分析，取得了較好的計算結果，可為實際工程提供參考。駱辛磊[6]對潰壩的成因進行分析，認為多種原因引起了大壩的潰決，且大壩潰決將會造成難以估量的損失，需要提前做好防治預案。尹吉娜等[7]、王冬林等[8]、徐楊軍等[9]、吳傳余[10]使用多種方法對庫水位下降時岸坡的穩(wěn)定性進行研究，認為水位下降過程中，岸坡的穩(wěn)定性是一個動態(tài)的變化過程。

引起壩坡穩(wěn)定性變化的因素眾多，本文在前人研究的基礎上對臨淮崗水利工程南副壩穩(wěn)定性進行研究。

2 工程背景

臨淮崗水利工程是淮河流域的一項重要水利工程，是國家“十五”計劃項目也是治淮19項骨干工程之一，地處霍邱縣和潁上縣相接位置的臨淮崗，涉及兩?。ò不帐?、河南?。?。臨淮崗水利工程主體工程穿越安徽省三個縣（霍邱縣、潁上縣、阜南縣），流域控制面積可達4萬多km2，是一項等大（1）型工程。工程按照百年一遇的洪水設計，滯洪80多億m3，使用千年一遇的洪水標準進行校核，滯洪120多億m3。工程設計標準滿足使用要求。臨淮崗從2001年開始動工至2006年主體工程通過驗收。

3 水位變化過程中南副壩穩(wěn)定性特征

3.1 數(shù)值模擬基本原理

滲流滿足達西定律，其基本原理如下：

式中：Q表示滲流量；A為垂直水流方向的截面積；h1-h2表示水頭差；L表示滲流長度。

各個方向上的滲流速率為 vx、vy、vz：

式中：H表示水頭；kx、ky、kz分別表示不同方向的滲透系數(shù)。

3.2 模型建立和參數(shù)選取

臨淮崗大壩由主壩和南、北副壩組成，全長77.51 km。主壩長8.54 km，壩頂寬10 m，壩頂高程31.7 m。南副壩修葺材料為土，是一座均質土壩。南副壩全長8.41 km。壩頂高程為32.15 m，壩頂寬度為6 m~8.5 m，最大的壩高為11.0 m，迎水坡、背水坡坡比均為1∶3。2002年10月臨淮崗南副壩開始動工，2005年8月完成施工工作。

圖1 臨淮崗水利工程南副壩

采用GEO-SLOPE軟件中的滲流模塊（SEEP/W）進行數(shù)值模擬計算。該模塊目前廣泛應用于飽和—非飽和滲流計算中，通過現(xiàn)場調查選取計算參數(shù)。

根據(jù)南副壩的尺寸規(guī)模建立二維數(shù)值模擬模型，模型總長37 m，高為13 m，其中南副壩凈高11 m。模型采用均質材料。在天然工況下（正常蓄水位）情況下，地下水位與庫水位高程基本保持水平狀態(tài)。

圖2 數(shù)值模擬模型

表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值

3.3 天然工況下水位上升過程中南副壩穩(wěn)定性變化情況

模擬天然工況下，庫水位從1 m上升至10 m的過程中，南副壩穩(wěn)定性的動態(tài)變化過程，水位上漲速度為0.6 m/d。穩(wěn)定性系數(shù)動態(tài)變化過程如圖3所示。

在該工況下南副壩穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.06，南副壩穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。穩(wěn)定性系數(shù)先減小是因為在地下水位上升的過程中，南副壩坡腳遭受庫水浸泡，穩(wěn)定性系數(shù)降低，當水位到達6 m時，南副壩穩(wěn)定性到達最低值，隨后隨著庫水水位的上升，南副壩穩(wěn)定性系數(shù)又緩慢提高，水壓力對于南副壩的穩(wěn)定性具有一定的促進作用，有利于提高南副壩的穩(wěn)定性。

圖3 水位上升過程中南副壩穩(wěn)定性變化

3.4 天然工況下水位下降過程中南副壩穩(wěn)定性變化情況

在水位上升到10 m后，保持3天的穩(wěn)態(tài)，發(fā)現(xiàn)南副壩穩(wěn)定性系數(shù)相對減小，為1.18，這是因為隨著庫水的入滲，南副壩坡體內部達到飽和狀態(tài)，有效應力降低，南副壩穩(wěn)定性系數(shù)產(chǎn)生相應的降低，但整體穩(wěn)定性仍然相對較好。

保持穩(wěn)態(tài)狀態(tài)結束后，模擬庫水位下降過程中南副壩的穩(wěn)定性情況。模擬水位從10 m逐漸回落至1 m，水位下降速率仍然為0.6 m/d。穩(wěn)定性系數(shù)動態(tài)變化過程如圖4所示。

在該工況下南副壩穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.05，南副壩穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。當水位到達6 m時，南副壩穩(wěn)定性到達最低值，隨后隨著庫水水位的下降，南副壩穩(wěn)定性系數(shù)又緩慢提高。水位下降過程中，南副壩巖土體處于飽和狀態(tài)，水位的下降造成水壓力減小，但坡體內部的水并未完全排出，巖土體處于飽和狀態(tài)，抗滑力小、下滑力大穩(wěn)定性較差，隨著水位的繼續(xù)下降，南副壩中的水逐漸排出，南副壩穩(wěn)定性得到相應的提升，但穩(wěn)定性較蓄水前相對較低。

圖4 水位下降過程中南副壩穩(wěn)定性變化

4 結論

（1）水利工程是重要的民生工程，具有重要的工程經(jīng)濟效益。臨淮崗水利工程的修建對庫區(qū)流域范圍內的重要交通干線、工業(yè)場區(qū)、國家資源以及居民的安全生產(chǎn)生活具有重要的意義。

（2）在水位上升階段的初期，庫水軟化坡腳造成南副壩穩(wěn)定性系數(shù)下降，隨著水位上升，水對南副壩產(chǎn)生水壓力增加了南副壩的穩(wěn)定性系數(shù)。

（3）在水位下降過程中，南副壩穩(wěn)定性系數(shù)先減小，水位下降南副壩壩體中的水并未完全排出，造成壩體抗滑力減小，下滑力增大，隨著水位逐漸下降，南副壩的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸回升。

（4）水位上升、下降過程中，臨淮崗南副壩穩(wěn)定性較好，滿足要求。