库中堆石坝坝坡稳定性分析

曹 智,张宏伟,邱珍锋

(重庆交通大学河海学院,重庆400074)

库中堆石坝坝坡稳定性分析

曹 智,张宏伟,邱珍锋

(重庆交通大学河海学院,重庆400074)

以重庆市万州区天仙湖堆石坝为研究对象,采用极限平衡法分别研究了“不同水位工况”“是否加设盖重”以及“库区水位变化”等因素对上下游坝坡稳定性的影响.分析结果表明:加设盖重能够行之有效地提高坝坡稳定性;且加设盖重后最危险的水力条件出现在上游库区水位下降的过程之中,其水位高程约为158.00 m,对应的安全系数Fs为1.320.对于水位升降的不同变化情况,坝坡的稳定安全系数走势各有特点:水位骤降时,坝坡的稳定安全系数先减小后增大,而水位骤升时却相对平缓.

库中坝;坝坡稳定性;极限平衡法;安全系数;水位变化

0 引言

坝坡的稳定性对于土石坝的整体安全起到至关重要的作用.现有的研究成果表明,坝坡的稳定性主要受水库的蓄水位以及水位波动的影响:一方面,水的软化作用降低了坝体及滑动面的物理、力学性质;另一方面,上下游水位骤降等因素产生的动水压力增大了坝坡失稳的可能.国内外关于上述两方面的影响已经做了大量研究与报道.[1-4]

通常我们所见的大坝均为一侧为迎水面,另一侧则为背水面.然而,由于某些原因致使某些坝体的两侧坝坡均位于水库或者其他水域之中,我们称此类坝为“库中坝”.较之于仅上游坝坡迎水的坝体而言,库中坝的水力条件相对复杂.由于下游坝坡与上游类似,同样受到不同水位工况以及水位变化带来的不稳定因素影响,因此有必要做此方面的相关研究与校核.

鉴于此,本文以位于重庆市万州区的天仙湖堆石坝工程为例,采用极限平衡法,[5]并使用河海大学岩土所编制的SLP程序分析,对坝顶灌浆之后的大坝在“不同水位工况”“是否加设盖重”以及“库区水位变化”等因素作用下的坝坡稳定性进行研究.

1 工程概况

天仙湖堆石坝工程由右岸堆石坝段、河床埋石混凝土溢流重力坝段和左岸埋石混凝土非溢流重力坝段组成,坝轴线总长275.60m.其中,右岸堆石坝段轴线长126.90m,河床坝段和左岸坝段总长100.00 m.校核洪水位为173.67 m(吴淞高程),死水位为152.00 m.

作为三峡水库的库中坝,天仙湖堆石坝的下游为三峡水库库区,由于大坝拦截苎溪河的原因,在大坝的上游后天形成人工景观湖——天仙湖.特殊的水文、地质等条件使得天仙湖堆石坝特点明显.

根据坝体结构要求,右岸的堆石坝坝段可分为上游盖重、上游主堆石区,坝顶碎石垫层、坝顶过渡区、混凝土灌浆区、下游主堆石区、下游次堆石区、下游压重以及坝基覆盖层.根据王俊杰等提出的边坡简化计算方法,[6]将坝体剖面简化如图1所示.

图1 天仙湖堆石坝坝体计算剖面图

2 计算方案及参数选取

2.1 计算方案

按照规范要求,应采用简化毕肖普法分析坝坡的静力抗滑稳定性,但考虑到毕肖普法可能出现数值计算上的问题,[7]须同时采用瑞典法.此外,若未特别说明均按照简化毕肖普法的计算结果进行分析论述.

计算工况所选水位考虑最不利因素,分别选取上游设计洪水位、上游死水位、下游的最高水位和下游最低水位进行计算分析.

根据天仙湖水库及三峡水库的相关设计参数,两侧库水位变化情况分别为:上游水位由天仙湖水库的设计洪水位173.67 m降至死水位152.00 m,下游水位由三峡库区的173.60 m降至143.30 m.

计算方案共计12种组合,见表1、表2.

表1 正常工况计算方案

2.2 参数选取

计算采用线性强度参数,线性强度是指抗剪强度τf与法向应力σ之间呈直线关系,因而可以用强度指标c和φ来计算抗剪强度.

重度γ的取值作以下说明:在未考虑水位骤降时,计算水位以上的土体取天然容重计,以下的取浮容重计;在水位骤降的相关计算中,骤降起始高水位以上的土体取天然容重,骤降结束后低水位以下的土体取浮容重计,而两水位之间的土体取饱和容重计;混凝土灌浆区视为不透水,即其重度的取值不随水位改变而改变.

考虑到已建坝体在施工、运行多年后的实际参数通常与起初的设计值相差很大,因此,通过参数反演计算,[8]得其坝基覆盖层、混凝土灌浆区、上下游主堆石、下游次堆石、上下游盖重、过渡层、坝顶碎石等筑坝料的计算参数,结果见表3.

表2 水位变化工况计算方案

表3 筑坝材料物理力学参数

3 计算结果及分析

经计算,上述12种计算方案的安全系数Fs计算结果见表4.

表4 安全系数计算结果

可见,简化毕肖普法的计算结果均大于瑞典法,平均高出8.8%,符合一般规律.

3.1 盖重对坝坡稳定的影响

结果表明,无盖重的计算结果普遍偏低,同时,最危险的水力条件出现在方案1之中,并且未满足规范的稳定要求.

相反,加设上下游盖重后,相应计算方案(5~8)的安全系数均有所提高,上下游坝坡的稳定性安全系数Fs平均分别提高23.7%和7.9%.就整体数据而言,加设盖重后的安全系数平均提高15.8%.提高幅度尤其在安全系数较低的上游坝坡更加明显,即盖重在改善坝坡的稳定性方面作用显著.

同时还发现,导致安全系数Fs提高的原因主要是盖重能给覆盖层及坝坡土体一定的压重,在其自身结构完整并且未发生局部失稳的前提之下,能够有效地提高坝坡的抗滑力.

3.2 水位变化对坝坡稳定的影响

细分上下游水位变化的过程,以进一步研究加设盖重后的坝坡稳定安全系数Fs的变化趋势.计算结果经整理后见图2.

图2 坝坡稳定性与水位关系

对于上游坝坡,其安全系数Fs的最小值大概出现在库水位下降15.67 m时,即158.00 m水位高程附近,此时对应的安全系数为1.320,满足规范要求.该危险水位位于滑坡体的下部,约占整个滑坡体总高度的25.3%,即＝25.3%,见图3(a).

下游坝坡的水位骤降也有类似现象,但Fs增大的过程并非出现在173.60~143.30 m水位变化范围之内,而是出现在低于143.30 m水位高程之下.可以认为,在三峡水库水位变化的范围之内,大坝下游边坡在水位骤降过程中的最小值安全系数Fs位于143.30 m水位高程附近,即三峡水库库水位变化的最低水位处.该危险水位所处的位置同样位于滑坡体的下部,约占整个滑坡体总高度的39.0%,即＝39.0%,见图3(b).

由图2可知,水位骤降时,上下游坝坡稳定系数Fs的最小值既不出现在最高水位,也不出现在最低水位,而是出现在水位变化过程之中的某个水位,具体的变化趋势表现为先减小,然后逐渐增大.

图3 水位骤降危险滑弧的位置示意图

水位骤升时,上下游坝坡稳定系数Fs的变化趋势相对平缓得多,分别在1.355和1.536附近较小范围内波动,与水位骤降时大不相同.这一现象与本文所采用的极限平衡法的计算原理有关,由于未考虑土石材料经水浸泡后的强度弱化效果以及坝内的渗流作用,仅从对坝坡的受力分析来看,水位上升对坝坡稳定并没有削弱的作用.

4 结语

1)最危险的水力条件出现在上游水位下降的过程中,其水位高程约为158.00 m,对应安全系数Fs为1.320.建议天仙湖水库不宜放空,并且应当采取科学、合理的水位调控方案.

2)盖重在自身结构完整、未出现局部性失稳的前提下,能行之有效地改善坝坡的稳定性.建议在条件允许的情况下加强盖重,并对其进行必要的安全监测,发现问题及时处理,确保盖重的正常功能发挥.

3)本文不足之处在于:二维计算的局限性,未考虑浸水后土石材料的软化以及坝内渗流等问题,因此,所得分析评价结论与实际情况可能存在出入.建议将土石材料浸水后软化及坝内渗流加以考虑,并做必要的物理模型试验以进一步研究.

[1]张卫民,陈兰云.地下水位线对土坡稳定的影响分析[J].岩石力学与工程学报,2005(S2):5319-5322.

[2]中村浩之,王恭先.论水库滑坡[J].水土保持通报,1990(1):53-64.

[3]MORGENSTERN N.Stability charts for earth slopes during rapid drawdown[J].Geotechnique,1963,13(2):123 -131.

[4]毛昶熙,段祥宝,李祖贻,等.渗流数值计算与应用[M].南京:河海大学出版社,1981.

[5]BISHOP A W.The Use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Slope[J].Geotechnique,1955,5(1):7-17.

[6]王俊杰,陈锦璐.阶梯型均质边土坡的稳定性分析[J].水电能源科学,2011,29(1):73-75.

[7]林继镛.水工建筑物[M].5版.北京:中国水利水电出版社,2009.

[8]顾冲时,吴中如.综论大坝原型反分析及其应用[J].中国工程科学,2001,3(8):76-81.

(责任编辑 张争)

Analysis of Slope Stability of Rock-Fill Dam in Three Gorges Reservoir

Cao Zhi,Zhang Hongwei,Qiu Zhenfeng
(School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)

Based on the limit equilibrium method,the slop stability of the Tianxian lake sediment storage dam has been analyzed.As the both sides of the dam are in the water,various factors have been considered such as“different water-level conditions”,“construction of seepage berms”,and“the water-level variations”and so on.The result shows,the construction of seepage berms could effectively improve the stability of dam slopes.After constructing seepage berms,the most dangerous hydraulic condition comes up at the level about 158.00m during the process of the rapid drawdown of the upstream,and whose safety factor is 1.320.The different conditions of water-level variation showed different tendency of safety factors.The tendency of safety factors decreased as the reservoir water rapidly drawdown and then increased gradually.However,when the reservoir water rapid rise,the tendency are relatively smooth.

the dam in reservoir;the stability of the dam slope;the limit equilibrium method;safety factor; the water-level variation

TU472.3

A.

1671-3079(2014)03-0110-04

10.3969 /i.issn.1671-3079.2014.03.021

2014-03-25

曹智(1990- ),男,湖南耒阳人,重庆交通大学河海学院硕士研究生,主要从事水利工程及岩土工程方向的研究.

时间:2014-05-09 14:41 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1273.Z.20140509.1441.001.html