不同库水位下均质土石坝稳定性分析

曹思源, 张 淼, 袁 颖,2

1. 河北地质大学 城市地质与工程学院, 河北 石家庄 050031; 2. 河北省地下人工环境智慧开发与管控技术创新中心, 河北 石家庄 050031

0 引言

中国现有约9.8 万座水坝, 其中95%为均质土石坝, 库区水位受水库蓄水和排泄的影响而发生变化, 不同库水位坝体稳定性不同, 与此同时, 不同工况下坝体稳定性也存在差异。 当前, 边坡稳定性分析方法主要有极限平衡法[1,2]和数值分析法[3,4]。极限平衡法经过长期工程实践和理论发展, 已广泛应用于边坡稳定性计算。 基于不同假设条件, 极限平衡法形成了多种分析方法, 主要有: 瑞典条分法、Bishop 法、 Janbu 法、 Morgenstern-Price 法等[5]。 鄢黎明[6]对库水位变化影响土石坝稳定性进行了相关分析, 结果表明, 库水位逐渐上升, 均质土石坝迎水坝坡安全系数先增大后减小, 水对于坝体稳定具有双重性。 刘坤等[7]在分析降雨入渗的非饱和土边坡稳定性基础上发现, 降雨对坡底产生的影响小于坡顶, 但坡底初始孔隙水压力越大越容易在坡底形成暂态饱和区。 李卓等[8]研究发现, 坝坡上部土体受前期降雨入渗影响, 孔隙水压力和自重不断增大,抗剪强度不断降低, 对坝坡稳定不利, 上游坝坡抗滑稳定安全系数的降低是由降雨和库水位变化共同作用导致。

为了分析不同库水位下坝体的稳定性, 本文以某均质土石坝为例, 通过野外实地调查、 钻探和室内试验等手段, 确定了坝体岩土体结构特征和力学性质。通过Geostudio 软件分别模拟分析了不同库水位下天然工况、 短暂暴雨工况(不考虑降雨入渗)、 长时暴雨工况(考虑降雨入渗) 的土石坝, 通过模拟计算发现: 坝体水位高度与边坡稳定性成反比; 天然工况坝体稳定性高于暴雨工况; 降雨类型不同时, 长时暴雨工况条件下坝体稳定性最差; 对于岩土体分层边坡,当岩土体处于饱和时, 最危险滑面往往只贯穿强度低的岩土层。 模拟结果为合理评价坝体稳定性和安全性提供了依据。

1 极限平衡法基本原理

在边坡稳定性模拟中, 采用Morgenstern-Price 法来进行数值模拟。 在极限平衡法中, 由于土条间作用力的假设条件不同, 发展出如瑞典条分法、 Bishop 法和简化Janbu 法等多种方法。 摩根斯坦法同时满足力矩平衡和力平衡, 其数学意义更为严格[9]。 本文对该土石坝采用摩根斯坦法进行稳定性模拟计算。 其计算公式如下:

根据力矩平衡可得:

根据力平衡可得:

由力平衡条件和力矩计算得稳定性系数Fs:

式中:c为内聚力;φ为内摩擦角;N为条间土底部的法向力;α为土条底部倾角;LW为滑动面圆心至土条重心的力臂长度;LN为土条在滑动面处的中点到对应法线之间的距离;R为对滑动面圆心取矩力臂长度;Ff为力平衡的安全系数;Fm为力矩平衡下的安全系数。

2 工程概况

2.1 地理位置及水库概况

该水库坝址位于东河镇郑家沟村附近, 距旺苍县17 km, 最大坝高12 m, 总库容25.6 m3。 库岸边坡水下部分宽度为50 m, 高度为16 m, 坡度范围27°～36°。

2.2 气象与水文

由当地气象部门收集资料可知, 该地雨量充足,3—9 月多为雨季, 5—9 月降雨量大, 大雨和暴雨主要集中在此时间段内。 年平均降雨量1 200 mm, 年最大降雨量为2 092.4 mm, 年最小降雨量为728.8 mm。崩滑流等地质灾害随降雨量增加而增加, 从一定程度上而言, 降雨量控制着地质灾害的发生。

3 建立模型

根据钻探揭露地质剖面并结合室内岩土试验与工程类比综合分析取得的相关岩土力学参数值, 模型的建立利用了GeoStudio 软件中的SEEP /W 和SLOPE /W 两模块, 该软件对边坡稳定性计算方法基于Morgenstern-Price 法, 图1 为建立的模型。 土体本构模型采用Mohr-Coulomb 准则。 地层从上至下分为10 m 厚含碎石粉土、 2 m 厚强风化粉砂岩两层。 天然工况、 暴雨工况下岩土体力学参数见表1。 由于短暂暴雨工况和长时暴雨工况均认为土体已饱和, 降雨时长对土体饱和度无明显影响, 因此二者采用相同饱和的土力学参数。 但就降雨入渗而言, 长时暴雨工况由于降雨量大、 历时久, 坝顶局部积雨来不及以地表径流形式向上下游坝坡底部排泄, 所以, 长时暴雨工况相较于短暂暴雨工况考虑了坝顶降雨入渗的影响。 假设坝顶降雨入渗的单位流量q=10-6m3/s/m2, 其中q满足暴雨工况。

表1 土层力学参数Table 1 Mechanical parameters of soil layer

图1 定义模型图Fig.1 Schematic diagram of definition model

4 稳定性计算

4.1 天然工况

采用M-P 法对设定好的有限元模型进行计算, 得到天然工况6～11 m 水位下最危险滑动面和稳定系数,如图2 (a-f) 所示, 6 ～11 m 坝体稳定系数分别为:FS6= 1.435, FS7= 1.391, FS8= 1.347, FS9= 1.300,FS10=1.241, FS11=1.165。 模拟结果表明, 坝体在天然工况任何水位下均处于稳定状态。

图2 天然工况坝体稳定性Fig.2 Dam stability under natural condition

4.2 短暂暴雨工况

短暂暴雨工况6～11 m 水位下最危险滑动面和稳定系数, 如图3 (a-f), 其中6～11 m 坝体稳定系数分别为: FS6= 1.038, FS7= 1.019, FS8= 0.981, FS9=0.933, FS10=0.879, FS11=0.833。 模拟结果表明, 坝体在短暂暴雨工况(不考虑降雨入渗) 7 m 水位以上处于不稳定状态, 7 m 水位以下处于稳定状态。

图3 短暂暴雨工况坝体稳定性Fig.3 Dam stability under transient rainstorm condition

4.3 长时暴雨工况

长时暴雨工况6～11 m 水位下最危险滑动面和稳定系数, 如图4 (a-f), 其中6～11 m 坝体稳定系数分别为: FS6= 1.019, FS7= 0.992, FS8= 0.963, FS9=0.924, FS10=0.854, FS11=0.828。 模拟结果表明, 坝体在长时暴雨工况(考虑降雨入渗) 6 m 水位以上处于不稳定状态, 6 m 水位以下处于稳定状态。

图4 长时暴雨工况坝体稳定性Fig.4 Dam stability under long-term rainstorm condition

4.4 对比分析

在同一坐标系绘制不同库水位下3 种工况的稳定系数直观对比图5。 由图2-图5 综合对比可知:

图5 稳定系数直观对比图Fig.5 Visual comparison diagram of stability coefficient

1) 天然工况10 m 水位以下时最危险滑面穿过整个下游坝坡, 10 m 水位以上时最危险滑面只穿过下游坝坡含碎石粉土层; 暴雨工况下无论任何水位, 最危险滑面均只穿过下游坝坡含碎石粉土层。

2) 天然工况下稳定系数曲线的斜率大致相似,呈匀速降低; 短暂暴雨工况下曲线斜率由小增大, 6～7 m 水位斜率小于7～11 m 水位, 7～11 m 水位时呈匀速减小; 长时暴雨工况下6～9 m 和10～11 m 水位稳定系数减小速率大致相同, 由于9～10 m 水位曲线下降速率突变骤增, 此段斜率大于6～9 m 和10～11 m。

3) 不同库水位下三种工况稳定系数: 天然工况＞短暂暴雨工况＞长时暴雨工况, 短暂暴雨工况与长时暴雨工况稳定系数相差不大, 差值在0.03 范围内波动。

5 结论

1) 水位不同, 坝体的浸润曲线高度不同, 但曲线形状大致相似。

2) 下游坝坡溢水点受水位与工况共同控制, 水位越高, 溢水点越高; 暴雨工况溢水点高于天然工况, 工况对溢水点高低的影响小于水位。

3) 该土石坝在天然工况下的任何水位均处于稳定状态; 短暂暴雨工况(不考虑降雨入渗) 7 m 水位以下处于稳定状态, 以上处于不稳定状态; 长时暴雨工况(考虑降雨入渗) 6 m 水位以下处于稳定状态,以上处于不稳定状态。 因此, 建议将7 m 和6 m 水位分别确定为该坝体短暂暴雨工况(不考虑降雨入渗)和长时暴雨工况(考虑降雨入渗) 的最高安全水位,在不同工况下应及时排水, 以确保坝体的安全。

4) 不同工况下最危险滑面对比分析表明: ①岩土体处于饱和时, 土体的强度低于岩体的强度; 岩土体参数中粘聚力受饱和度影响最大; ②反而言之, 粘聚力在各参数中对饱和岩土体强度起主要控制作用;③对于岩土体分层边坡, 当岩土体处于饱和时, 最危险滑面往往只贯穿强度低的岩土层。