坝顶通车的坝坡稳定性分析

梁丹丹，夏冬，刘健



坝顶通车的坝坡稳定性分析

梁丹丹1，夏冬2，刘健3

（1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098；3.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，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考虑了水位组合以及水位骤降等情况下坝顶通车与否对边坡稳定性的影响. 分析结果表明：在车辆荷载作用下坝坡稳定性有所降低；无论通车与否，最危险水位工况均为上游水位、下游水位；水位骤降情况下的坝坡稳定性有所降低，考虑水位骤降时的坝顶通车依然满足坝坡稳定性的要求；本项研究中，坝顶通车对坝坡稳定性的影响采用了二级公路的标准荷载，当坝顶公路等级提高或其他原因使得过车荷载增加时，坝顶通车作用下的坝坡稳定性需要重新评估；根据计算结果，坝坡稳定性随水位的降低而减小，所以当上下游水位低于当前最低水位时，坝坡稳定性也需要重新计算.

坝坡稳定性；极限平衡法；安全系数；水位骤降；车辆荷载

坝坡稳定性分析是一项复杂的工程，也是坝坡设计及治理的核心内容. 坝坡稳定性分析方法很多，其中极限平衡法是计算坝坡稳定的主要方法，也是工程实践中应用最广泛最成熟的方法. 极限平衡法概念清晰，计算简便，容易被业内人士理解和掌握，同时能直观给出坝坡稳定的安全系数值及潜在的滑动面. 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[1]，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”“库区水位骤降”以及“坝顶车辆荷载”等因素作用下的坝坡稳定性进行研究.

1 工程概况

重庆市万州区天仙湖拦沙坝是苎溪河流域水土保持生态环境综合治理的重点工程项目，该工程由右岸混凝土面板堆石坝段、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，其中，右岸堆石坝段轴线长，坝顶宽，坝顶高程（黄海高程，以下同），上游坝坡为，下游坝坡从上至下分别为、，在高程设置宽的马道. 重力坝段与左岸岸坡连接，溢流坝段设交通桥与两岸连接. 随着万州区经济高速发展，该区交通拥堵日益严重，为缓解万州城区的道路交通压力，相关部门提出将现有天仙湖拦沙坝作为连接竺溪河两岸的临时交通道路使用，同时对坝顶进行加宽. 由于天仙湖拦沙坝原设计为竺溪河环境治理的配套项目，未考虑坝顶通车功能，坝顶通车虽对河床及左岸重力坝坝体影响较小，但可能造成面板堆石坝段灌浆加固后形成的心墙防渗体破坏、坝坡失稳等问题. 为此，本文将对不同水位工况及水位骤降情况下的坝顶通车对坝坡稳定性的影响进行研究.

根据坝体结构要求以及王俊杰等[2]提出的边坡简化计算方法，将坝体剖面简化如图1所示.

图1 土石坝坝体计算剖面图

2 计算方案、参数选取及方法

2.1 计算方案

本文采用极限平衡法（瑞典法与毕肖普法），考虑筑坝材料的强度线性特性[3]情况，计算分析了有反压情况下，四种最不利水位组合时（上游设计洪水位173.67 m、死水位152.00 m，下游三峡库区173.60 m（吴淞高程），水位在万州城区为167.30 m，下游低水位143.30 m），加宽后的坝体在坝顶是否通车情况下，上下游坝坡的稳定性. 具体计算方案的划分如表1所示.

表1 正常水位工况下的极限平衡法计算方案

水位骤降是影响边坡稳定的重要因素之一，在上下游有反压压重和水位骤降的条件下，计算方案如表2所示.

表2 水位骤降情况下的极限平衡法计算方案

2.3 计算参数

表3 极限平衡分析法坝体材料物理力学线性参数

库水位对边坡稳定性的影响主要是：水的软化作用降低了坝体及滑动面的物理、力学性质，上下游水位骤降等因素产生的冻水压力增大了坝坡失稳的可能. 由于水的作用使土体的孔隙水压力发生变化，导致浸润线有所不同，坝体某些结构的参数发生变化.

根据以往经验对坝坡排水条件不好的均质土坝和心墙砂壳坝的分析计算结果，可以规定：时为骤降，此时坝体内渗流自由面在库水位降落后仍保持有总水头的90％左右，故可近似认为坝体浸润线基本保持原位置不变，这种情况对坝坡的稳定最为不利，为偏于安全，可以按照库水位开始降落前稳定渗流的浸润线位置进行坝坡稳定分析[4].

相应的计算材料参数参照上文，对于容重的取值作如下说明：骤降开始前高水位以上的土采用天然容重，骤降结束后低水位以下的土采用浮容重，两者之间的土采用饱和容重进行计算.

2.4 计算方法

分别采用瑞典法和毕肖普法进行计算，其各计算方法的公式及各个参数的含义如下.

2.4.1 坝顶荷载作用下的毕肖普公式

2.4.2 坝顶荷载作用下的瑞典条分法公式

3 计算结果及分析

对于不同水位工况下，由极限平衡法计算方案1至方案8得到的安全系数示于表4中.

表4 极限平衡分析法计算的安全系数

从表4中可见：

a）坝顶无荷载时，不同的水位工况，下游的安全系数不同，即稳定性不同，方案2的安全系数最小，为1.256，即当坝顶不通车的情况下，上游水位为173.67 m，下游水位为143.3 m时，坝体的边坡稳定性最差，不满足规范要求[5]. 相应毕肖普法计算的临界滑弧位置见图2-a.

b）坝顶有24.7 kN的荷载时，不同的水位工况，下游的安全系数不同，即稳定性不同，方案6的安全系数最小，为1.212，即当坝顶荷载为24.7 kN的情况下，上游水位为173.67 m，下游水位为143.3 m时，坝体的边坡稳定性最差. 相应毕肖普法计算的临界滑弧位置见图2-b.

图2 不同工况的临界滑弧位置示意图

c）无论通车与否，最危险水位工况均为：上游水位173.67 m、下游143.3 m.

d）同种水位工况下，坝顶有无荷载对下游边坡安全系数影响不同，坝顶有荷载时下游边坡安全系数均有所降低，当上游水位为173.67 m，下游水位为143.3 m时，降幅最大，为15.764%. 即当上述水位工况时，坝顶通车与否对坝体稳定性影响最大.

对于水位骤降情况，由极限平衡法计算方案9至方案12得到的安全系数示于表5中.

表5 水位骤降计算安全系数

由表中可以得出：

1）无论通车与否，最危险的水位骤降组合为下游水位从173.6 m降到143.3 m，上游水位为173.67 m，此时，上下游的安全系数都较低，坝坡稳定性较差. 建议下游水库不宜放空，并且应当采取科学、合理的水库调控方案. 见图3-a、b

图3 水位骤降临界滑弧位置示意图

2）同种水位骤降工况下，坝顶加荷载后的安全系数较加荷载前的安全系数均有所降低，当水位骤降组合为:下游173.60～143.30 m，上游为173.67 m时，下游坝坡的安全系数降幅最大，为1.863%. 上游173.67～152.00 m，下游为143.30 m时，上游坝坡的安全系数降幅最大，为10.224%.

3）所得安全系数结果表明，在水位骤降各工况下大坝坝坡安全系数均满足规范要求[5].

4 结语

本项研究利用极限平衡法对天仙拦河坝坝体加宽后的边坡稳定性进行了计算与分析. 在计算中，利用极限平衡法对不同水位组合、有无坝顶车辆荷载等多种工况条件下的坝坡稳定性进行了分析，具体结论与建议如下：

1）在车辆荷载作用下坝坡稳定性有所降低.

2）无论通车与否，最危险的上、下游水位组合是上游水位173.67 m，下游143.3 m.

3）同种水位工况下，坝顶有无荷载对下游边坡安全系数影响不同，坝顶有荷载时下游边坡安全系数均有所降低，当上游水位为（173.67 m），下游水位为（143.3 m）时，降幅最大，为（15.764%）.

4）同种水位骤降工况下，坝顶加荷载后的安全系数较加荷载前的安全系数均有所降低，当水位骤降组合为:下游173.60～143.30 m，上游为173.67 m时，下游坝坡的安全系数降幅最大，为1.947%. 上游173.67～152.00 m，下游为143.30 m时，上游坝坡的安全系数降幅最大，为2.367%.

5）本项研究中，坝顶通车对坝坡稳定性的影响采用了二级公路的标准荷载[6]，当坝顶公路等级提高或其他原因使得过车荷载增加时，坝顶通车作用下的坝坡稳定性需要重新评估；根据计算结果，坝坡稳定性随水位的降低而减小，所以当上下游水位低于当前最低水位时，坝坡稳定性也需要重新计算.

[1]BISHOP A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slop [J]. Geotechnique, 1955, 5(1): 7-17.

[2] 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.

[3] 卢廷浩. 土力学[M]. 2版. 南京：河海大学出版社，2008.

[4] 秦茂洁. 水位骤降情况下的坝坡稳定分析研究[D]. 广州：华南理工大学，2012: 47-52.

[5] 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，武汉大学. 碾压式土石坝设计规范：DL/T5395—2007 [S]. 北京：中国电力出版社，2008.

[6] 程旨辉，许春波. 公路工程荷载标准解析[J]. 黑龙江水利科技，2011, 39(5): 111-112.

[责任编辑：韦 韬]

A Stability Analysis of Slopes of Dams Used for Traffic

LIANGDan-dan1, XIADong2, LIUJian3

(1. Hehai School, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. School of Hydrology & Water Resource, Hehai University, Nanjing 210098, China;3. Chongqing Survey and Design Institute for Water Resources, Electric Power andArchitecture,Chongqing 400074, China)

This study takes the Tianxian Lake rockfill dam in Wanzhou District, Chongqing, as the research object, and explores by adopting the limit equilibrium method whether using dam crests for traffic will affect the slope stability in conditions of changing water levels and rapid drawdown of water levels. The results show that the stability of dam slopes decreases under vehicle loads; whether or not open to traffic, the most dangerous water conditions are: 173.67 m at upstream and 143.3 m at downstream; the stability of the dam slope decreases to some extent at rapid drawdown but can still meet the requirements of traffic. In this study, the standard load of Class II Highway is adopted for studying the impact of dam crest traffic on the stability of dam slope; when the dam crest road grade is improved or when the vehicle load is increased for other reasons, the stability of dam slope needs to be reevaluated. According to the calculation results, the stability of the dam slope decreases with the water level decrease, and therefore, when the upstream and downstream water level is lower than the current minimum water level, the stability of the dam slope also needs to be recalculated.

dam slope stability; the limit equilibrium method; safety factors; rapid drawdown of water levels; vehicle load

1006-7302（2015）03-0045-06

TV641.4+1

A

2015-01-19

梁丹丹（1990—），女，吉林松原人，在读硕士生，主要从事岩土工程及水利工程方面的研究.