基于GeoStudio軟件的土石壩穩(wěn)定設(shè)計(jì)

唐 帥

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

在土石壩中，土質(zhì)心墻防滲體是常有防滲結(jié)構(gòu)。土石壩擋水后，在壩體內(nèi)形成滲流，飽和區(qū)內(nèi)土石料承受上浮力，減輕了抵抗滑動(dòng)的有效重量，浸水后作用在壩上的荷載和土石料的抗剪強(qiáng)度都將發(fā)生變化，故在施工期、穩(wěn)定滲流期、水庫(kù)水位降落期及地震等不同時(shí)期，滲流力可能引起管涌、流土等滲流破壞，也可對(duì)壩坡形成不利作用，引起壩邊坡失穩(wěn)。土石壩的滲流穩(wěn)定及壩坡穩(wěn)定是實(shí)際工程中值得思考的問(wèn)題。

1 工程概況

水庫(kù)等別為Ⅲ等，包括溢洪道、土石壩和放水洞，溢洪道進(jìn)水渠底板頂高程17.20m，土石壩為壤土心墻砂殼壩，工程級(jí)別3級(jí)，壩頂長(zhǎng)400m，壩頂寬7.0m，壩頂高程29.80m，最大壩高20m。防浪墻頂高程30.80m，高1.5m，厚0.5m。上游壩坡在高程19.00m處設(shè)2.0m寬戧臺(tái)，戧臺(tái)以上坡比1∶2.5，以下為1∶2.75；壩腳設(shè)堆石壓重體，頂高程14.0m，頂寬10.0m，邊坡1∶3.0；下游壩坡在高程20.00m處設(shè)2.0m寬戧臺(tái)，戧臺(tái)以上坡比1∶2.5，以下為1∶2.75；心墻頂高程29.10m，頂寬2.0m，上下游坡比1∶0.4。上游壩坡為干砌塊石護(hù)坡，下游壩坡為草皮護(hù)坡，壩后設(shè)縱橫向排水溝，壩腳設(shè)貼坡排水。壩基砂采用混凝土防滲墻防滲(0+180.0～0+340.0)，底高程-4.0m，平均深度13.0m，確定壓重平臺(tái)高程16.00m，上游平臺(tái)寬25m，下游平臺(tái)寬10m，采用棄渣料填筑，壓重平臺(tái)設(shè)干砌塊石護(hù)面。土石壩從上游到下游分別由上游護(hù)坡、碎石、反濾層、細(xì)砂、含砂壤土心墻、細(xì)砂、下游草皮護(hù)坡組成，壩基從上到下分別由①粗砂、淤泥質(zhì)中細(xì)砂;②粗砂，黑云斜長(zhǎng)片麻巖組成，壩基粗砂允許滲流坡降建議值為0.15，地震設(shè)防烈度7度，土石壩的典型橫斷面如圖1所示。

圖1 某土石壩典型橫斷面圖

2 土石壩設(shè)計(jì)

2.1 土石壩滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算滲流量時(shí)，土的滲透系數(shù)采用大值平均值，計(jì)算水位降落時(shí)采用小值平均值，滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算采用GeoStudio有限元軟件的Seep/w分析模塊來(lái)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況，選取0+100斷面作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算，對(duì)以上斷面分別建立二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況如下：

(1)上游正常蓄水位25.43m，相應(yīng)下游水位10.0m

(2)上游設(shè)計(jì)洪水位27.95m，相應(yīng)下游水位10.0m

(3)上游校核洪水位28.84m，相應(yīng)下游水位平地面11.0m

(4)庫(kù)水位自設(shè)計(jì)洪水位(27.95m)降落至死水位(15.03m)。

上述工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，0+200不同水位下滲流等勢(shì)線及浸潤(rùn)線如圖2—3。

表1 土石壩滲流計(jì)算成果表

圖2 0+200斷面正常蓄水位及設(shè)計(jì)洪水位滲流等勢(shì)線及浸潤(rùn)線圖

圖3 0+200斷面校核洪水位及水位降落期滲流等勢(shì)線及浸潤(rùn)線圖

根據(jù)地質(zhì)結(jié)論，壩基砂允許水力比降建議值0.15。由表1可知，土石壩滲透穩(wěn)定性滿足要求。

2.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)SL 274—2020《輾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)所有工況均采用有效應(yīng)力法；對(duì)竣工期及庫(kù)水位降落期同時(shí)采用總應(yīng)力法，以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)。根據(jù)地質(zhì)勘探和室內(nèi)試驗(yàn)成果，結(jié)合原設(shè)計(jì)及竣工資料，選定壩體各土料的物理力學(xué)性指標(biāo)。粘性土、壩殼砂及壩基砂的容重選用試驗(yàn)平均值；粘性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大于11組時(shí)采用小值平均值，小于11組時(shí)采用建議值，無(wú)粘性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均采用建議值。計(jì)算方法采用計(jì)及條間力的簡(jiǎn)化畢肖普法，計(jì)算軟件采用加拿大GeoStudio軟件的分析模塊Slope/w，壩基及壩體物理力學(xué)計(jì)算選用指標(biāo)表見(jiàn)表2。

結(jié)合實(shí)際情況，選取0+200斷面作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算。

(1)正常運(yùn)用條件

①庫(kù)水位為正常蓄水位(25.43m)和相應(yīng)下游水位(10.00m)時(shí)的上、下游壩坡穩(wěn)定；

②庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位(27.95m)和相應(yīng)下游水位(10.00m)時(shí)的上、下游壩坡穩(wěn)定；

③庫(kù)水位自設(shè)計(jì)洪水位(27.95m)降落至死水位(15.03m)時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定。

(2)非常運(yùn)用條件

①庫(kù)水位為校核洪水位(28.84m)和相應(yīng)下游水位時(shí)的上、下游壩坡穩(wěn)定；

②庫(kù)水位自校核洪水位(28.84m)降落至進(jìn)水渠底板頂(17.20m)時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定；

③正常運(yùn)用條件②+地震；④施工期。

土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果詳見(jiàn)表3，不同水位下最危險(xiǎn)滑弧位置見(jiàn)圖4—9。

表3 土石壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

圖4 0+200斷面正常蓄水位上下游坡最危險(xiǎn)滑弧位置圖

圖5 0+200斷面設(shè)計(jì)洪水位上下游坡最危險(xiǎn)滑弧位置圖

圖6 0+200斷面設(shè)計(jì)洪水位降落到死水位及校核洪水位降到進(jìn)水渠底板上游坡最危險(xiǎn)滑弧位置圖

圖7 0+200斷面校核洪水位上下游坡最危險(xiǎn)滑弧位置圖

圖8 0+200斷面設(shè)計(jì)洪水位+地震上下游坡最危險(xiǎn)滑弧位置圖

圖9 0+200斷面施工期上下游坡最危險(xiǎn)滑弧位置圖

由表看出，計(jì)算斷面各種工況下安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)土石壩滲透和壩坡穩(wěn)定分析可使用GeoStudio軟件中的Seep/w和Slope/w分析模塊，其應(yīng)用已相當(dāng)成熟，計(jì)算結(jié)果可靠，軟件建模過(guò)程物理指標(biāo)的選取要有據(jù)可依。

(2)水力坡降大于允許水力坡降，安全穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范允許值，可認(rèn)為土石壩滲流穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定，選取的筑壩土石料的種類、壩的結(jié)構(gòu)型式以及各種土石料在壩體內(nèi)的配置基本合理。

(3)本文對(duì)土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，但只局限于此，在土石壩設(shè)計(jì)中，要根據(jù)土石料的物理、力學(xué)性能選擇壩體各部分的填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的可行性和合理性。