深厚覆盖层砾石土心墙堆石坝抗滑稳定分析

陈 磊，窦向贤

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 基本工程地质条件

狮子坪水电站心墙堆石坝河床覆盖层深厚，最大深度达102m，从下到上共分5个大层，其中③、④两个大层依据物理力学性状的不同又分为几个小层:①为含砂漂(块)卵砾石层;②为粉质壤土与粉细砂互层;③－1为含砂漂(块)卵砾石层;③－2为块碎砾石土层;④－1为含碎砾石砂层、粉质壤土层;④－2为含漂砂卵砾石层;④－3为含碎砾石砂层、粉质壤土层。另外，分布于坡脚部位的还有崩坡积块碎石土层。

狮子坪水电站大坝处于“5.12”汶川地震影响区，地震动参数50年超越概率10%时基岩水平峰值加速度为0.146g;100年超越概率5%时基岩水平峰值加速度为0.267g;100年超越概率2%时基岩水平峰值加速度为0.359g。

2 坝体结构分区

坝顶高程为2544.0m，坝顶宽12m，坝顶总长310.14m，建基面高程为2408.0m，最大坝高136m。上游坝坡为1∶2，在高程2475.0m处设5m宽马道，下游坝坡根据施工要求设置“之”字形上坝公路，下游平均坡比为1∶2.08。在大坝上、下游坡脚设压戗平台，上游采用将围堰与坝体之间的结合部位填平的方式压戗，下游压戗范围因受泄洪洞出口位置的限制，其压戗高度和长度通过稳定分析确定，戗顶高程为2430.0m，水平长度为80m。

上游堆石料分为两个区，2450.0m高程以下为堆石Ⅱ区;2450.0m以上为堆石Ⅰ区。下游堆石料亦分为两个区，顶部2530.0m高程以下、底部2450.0m、2445.0m、2428.0m 高程以上及右侧与下游堆石Ⅰ区交界范围内为下游堆石Ⅱ区;其余部位为下游堆石Ⅰ区。

3 抗滑稳定分析

3.1 计算参数

根据各种筑坝材料技施阶段的试验成果、材料特性及填筑部位，结合工程类比拟定的稳定计算参数见表1。

3.2 计算方法及计算工况

坝坡稳定分析计算方法有刚体极限平衡法及坝体坝基内各点剪应力水平法两大类，最常用和已经积累了丰富经验的是刚体极限平衡法;剪应力水平法使用经验不多，加之土体本身和边界处理的复杂性，存在判别整体失稳的标准问题，还需要继续研究［1］。本次计算按照极限平衡分析法进行，强度指标采用有效应力法和总应力法。根据《碾压土石坝设计规范》DL/T5395－2007规定:坝坡抗滑稳定计算可采用计及条块间作用力的简化毕肖普法;对于有软弱夹层的坝坡稳定分析，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿-普赖斯法。由于地形地质条件的限制，上、下游稳定计算不能完全使用同一剖面，根据覆盖层深度以及可能的滑动位置，上游稳定按(0+120.00)剖面计算，下游稳定按(0+160.00)剖面计算。

坝坡稳定计算工况如下:

(1)稳定渗流期上、下游坝坡。

①上游正常蓄水位高程为2540.0m，相应下游覆盖层内水位高程为2411.0m;

图1 砾石土心墙堆石坝典型剖面图

表1 狮子坪水电站砾石土心墙堆石坝筑坝材料填筑指标参数表

②上游设计洪水位形成的稳定渗流期，其水位高程为2540.62m，相应下游水位高程为2414.7m;

③上游死水位形成的稳定渗流期，其水位高程为 2460.0m;

④上游水位介于正常蓄水位与死水位之间的稳定渗流期，其水位高程为2500.0m。

(2)稳定渗流期遇地震上、下游坝坡，峰值加速度为0.146g(50年超越概率10%)。

上游正常蓄水位高程为2540.0m，相应下游水位高程为2411.0m。

(3)稳定渗流期遇地震上、下游坝坡，其峰值加速度为0.267g(100年超越概率5%)。

上游正常蓄水位高程为2540.0m，相应下游水位高程为2411.0m。

(4)下游校核洪水位稳定渗流期，其上游水位高程为2541.09m，相应下游水位高程为2414.9m。

(5)上游水位骤降:上游水位从正常蓄水位高程2540.0m降落到死水位高程2460.0m，历时16d。

(6)竣工期。

3.3 计算成果及分析

(1)计算成果。狮子坪水电站大坝坝基地层结构复杂，抗滑稳定计算需考虑稳定安全系数分布的多极值特性，为此，对不同土层的滑动破坏面进行了分析比较，直到求得抗滑稳定安全性最小时为止。上、下游坝坡稳定计算最小安全系数分别见表2及图2、3。

从表2可以看出，满足力和力矩平衡的摩根斯顿-普赖斯法计算结果均小于简化肖普法计算值，特别是对于下游坝坡，计算结果明显小许多。

表2 上、下游坝坡稳定复核最小安全系数表

图2 0+120.00剖面上游坝坡稳定分析(摩根斯顿-普赖斯法)最危险滑弧示意图

(2)成果分析。

①在实际计算过程中还发现:当采用瑞典圆弧法计算坝坡的抗滑稳定时，其抗滑稳定安全系数不全满足(DL/T5395—2007)规范要求;当采用毕肖普法时，坝坡抗滑稳定安全系数均可满足(DL/T5395—2007)规范要求，其原因是瑞典法在理论上有缺陷，且当地基存在软弱夹层时误差会变大。

②由于大坝坝体和坝基的土层分布复杂，土层的物理与力学指标差别较大，抗滑稳定计算需考虑稳定安全系数分布的多极值特性，滑动破坏面需在不同土层进行分析比较直到求得抗滑稳定安全性最小时为止。坝体及坝基材料计算参数的确定(特别是坝基材料参数)，对稳定分析计算结果的影响很大。

图3 0+160.00剖面下游坝坡稳定分析(简化毕肖普法)最危险滑弧示意图

另外，采用摩根斯顿-普赖斯法时，下游覆盖层水位对下游安全系数的影响较大，而下游压重高度和长度的变化对安全系数的影响并不明显。

③实际计算过程中还发现，采用拟静力法计算滑弧越深，得到的安全系数值越小。覆盖层第②层深埋于地下70m处，当滑弧通过覆盖层第②层时得到的安全系数最小，此时得到的圆弧中心角度很大，其原因是地面以下弓形体上的地震力引起了相对较大的滑动力矩造成的，特别是当土的强度较小、地震烈度较高时，滑弧越深，安全系数越小，从而使计算结果失真［2］。

④《碾压式土石坝设计规范》(DL/T5395—2007)10.3.16条规定，对于狭窄河谷中的高土石坝，抗滑稳定计算还可计及三向效应，求取最小安全系数。狮子坪水电站坝高136m，河床宽85m，坝轴线长310.14m，宽高比为2.28，属于狭窄河谷的高土石坝，但如何确定最小允许安全系数值还需要进行专门研究。

［1］碾压式土石坝设计规范，DL/T5395－2007［S］.

［2］殷宗泽，等.土工原理［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［3］陈祖煜.土质边坡稳定分析-原理·方法·程序［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［4］林 昭.碾压式土石坝设计［M］.郑州:黄河水利出版社，2003.