基于SLOPE/W的某小型水库初设坝坡稳定复核

张 家 荣

(商洛学院， 陕西 商洛 726000)



基于SLOPE/W的某小型水库初设坝坡稳定复核

张 家 荣

(商洛学院， 陕西 商洛 726000)

摘要：20世纪六七十年代兴建的水库，大多属于“三边”工程，现今存在不同程度病险问题，急需对其进行加固处理，实现水库的继续安全运行。结合陕西省某小型水库除险加固工程探讨SLOPE/W软件在大坝除险加固初设坝坡稳定性复核中的应用问题，论述了SLOPE/W软件的功能、工作原理、数值模拟步骤，计算出该库现状大坝在正常应用及非常运用情况下上游、下游坡稳定安全系数，判断出其渗流不稳定，并对坝体进行加固后的坝坡各工况稳定性进行复核，验证了加固设计的合理性。此种方法在其他12座小型水库除险加固中推广应用，效果良好。实践证明利用SLOPE/W平台分析坝坡稳定性问题，具有速度快、可靠性高的优点。

关键词：SLOPE/W软件；稳定复核；小型水库

陕西省大部分水库是在20世纪60年代和70年代兴建的，设计时所依据的洪水样本资料通常只有30 a～40 a。陕西省共有水库1 100余座，据统计其中474座小型水库被列为病险库，水库在运行过程中存在不同程度问题，根据国务院常务会议2011年2月22日的安排与部署，为实现水库的继续安全运行，提高防灾减灾能力，减少损失，全面推进大坝除险加固工作的进程，在“十二五”期间经过多方努力争取，474座病险库中有454座已被列入国家专项计划，按照国家总体部署结合陕西省病险库除险加固计划和安排，截止2014年11月初陕西省该完成病险库除险加固专项投资9.9亿元，331座列入国家补助治理的小型病险库建设任务全部已完成。

水库除险加固，一是防汛安全，二是发挥效益。在实现水库防汛安全方面坝坡稳定性问题已成为除险加固必须解决的基本问题之一，本文基于SLOPE/W平台结合陕西某小型水库工程实例进行坝坡稳定分析。

1SLOPE/W功能介绍及原理介绍

SLOPE/W是GeoStudio软件的一个重要的模块，其原理采用极限平衡法，基于极限平衡理论，满足的是静力平衡方程，也就是同时满足X方向、Y方向和力矩平衡方程。包括瑞典条分法、毕肖普法、江布法、摩根斯坦一普赖斯法等[1]。GeoStudio可以应用于岩土环境及岩土工程领域模拟计算的仿真软件，其特点是功能强大、专业、快速，因此在实际中应用较为广泛，其主要包括SLOPE/W(边坡稳定性分析软件)、SEEP/W(渗流分析软件)、QUAKE/W(地震动力响应分析软件)等八个专业软件。经过40多年在岩土工程领域的应用，较为成熟，已经成为非饱和土渗流稳定分析、边坡稳定性分析、地震荷载动力分析方面的世界级的专业软件[2]。

在应用SLOPE/W进行边坡的稳定性分析中，目前应用较多的分析方法是把潜在滑动体离散成垂直条块，判断边坡是否稳定则是通过分析极限状态下条块(由潜在滑动体离散成垂直条块)的力矩和所受力的平衡来实现的，20世纪早期这种条块分析方法的思想才被引入我国，作为最早的数值分析技术加以应用。最初的方法忽略了条间力而仅仅满足力矩的平衡，这样的简化让手算成为可能，这在当时是一种非常重要的方法。后来，Bishop提出了一种方法，包括条间法向力忽略条间剪切力，这种方法满足力矩平衡不满足静力平衡，这种方法就是简化Bishop法。Janbu也提出了一种方法，同样也考虑了条间的法向力忽略了条间剪切力，但是该法满足静力平衡不满足力矩平衡，成为简化Janbu法。随着计算机的发展，极限平衡方法内在的迭代步骤更容易实现，这样促进了计算的更加严格，考虑了所有条间力并同时满足静力平衡和力矩平衡，例如，Morgenstern-Price法和Spencer法[3-4]。对于边坡的稳定性分析现阶段主要方法有两类：其一是极限平衡法[5-7]，其二是以有限元为代表的数值分析方法[8-9]。在传统的极限平衡法中，力学方程较为完备的有4种方法：分别是,Spencer法[10]，Morgenstern Price(M-P)法[11]，Sarma法[12]，Janbu法[13]。数值分析法比较有代表性的是Griffiths和Fenton提出的随机有限元理论[14]，其优点在于不用预先设定边坡滑移面的形状，根据程序计算的收敛性确定折减系数(安全系数)取值[15]。

2SLOPE/W数值模拟步骤

SLOPE/W的操作数值模拟分为以下9个步骤。

(1) 运行软件，选择分析模块；(2) 模型分析设定：分析类型、分析控制、收敛及时步设定；(3) 绘制或导入几何模型(几何模型修正)；(4) 定义材料类型，输入材料参数；(5) 将材料赋给几何模型，网格查看与调整；(6) 定义边界条件，将边界条件赋给几何模型；(7) 检查模型，求解；(8) 结果查看；(9) 工况变更，再次求解。

使用SLOPE/W软件的几点说明：建模中可以采取在软件里面直接作图建模，也可以直接导入CAD等绘图软件成图的二维平面图形；在应用SLOPE/W软件时，要进行SEEP/W与SLOPE/W两个模块的耦合计算，由于大坝渗流分析是其稳定性分析的前提和基础，所以在稳定分析之前首先要进行渗流分析，利用渗流分析的部分计算成果完成稳定性分析；在输入材料参数时，应根据土力试验结果输入并选择相应的算法；安全系数的取值一定要合乎规范[16]。

3工程实例

本水库位于蓝田县城西南的史家寨乡孙家坡村东南约0.5 km处，属氵产河流域，发源于史家寨乡东山村，属秦岭北部边缘(渭河第四级台地)的黄土垣坡区的一条沟道，该沟发源于史家寨乡东山村的黄家窑，坝址以上流域面积约3.39 km2，沟道最大汇流长度5.07 km，沟道最大比降约5.79%。河道呈“V”型，左右两岸地形坡陡，土壤为砂土或沙壤土，植被较差，沟内土壤为砂土或沙壤土，由于流域面积小，沟道内常流量小。该区属暖温带大陆性季风半湿润气候，四季分明，冬季气候寒冷、干燥、少雨，夏季炎热多伏旱，夏秋季节是一年降雨量最多并集中的季节，春季气温波动大，常出现寒潮霜冻，倒春寒现象，秋季多连阴雨。多年平均降雨量约600 mm，7月—10月份降雨最多，多年平均气温约为13℃，最大冻土厚约40 cm～45 cm。

该库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等功能的小(2)型工程，枢纽工程主要由大坝、溢洪道、放水洞组成。

3.1大坝计算断面的确定

(1) 复核大坝现状渗透及稳定情况。根据实测横断面及原设计文件综合分析考虑，上游坝坡坡比为1∶2.5；下游坝坡坡比依次为1∶1.9、1∶3.5、1∶2；坝顶宽4.8 m～6.0 m；坝高23.8 m。淤积高程98.0 m。

(2) 根据安全鉴定报告，本次设计复核现状后，现状坝坡不稳定，与安全鉴定报告结论一致。大坝背水坡边坡不稳定，对大坝加高及下游坝坡培厚，计算断面如下：上游坝坡为原设计坝坡1∶2.5；下游坝坡培厚自上而下依次为1∶2、1∶2.5、1∶3；变坡处高程分别为96.24 m、89.24 m，分设2 m宽马道，坡脚处设褥垫排水棱体，顶宽1.5 m，高3 m，外坡坡比1∶2，内坡坡比1∶1.5。经计算，大坝坝顶加高培厚至103.24 m，宽6 m。

3.2大坝特征水位

根据该水库原设计资料、实测资料及本次设计调洪计算结果得到，水库正常蓄水位100.00 m,设计洪水位(20年一遇)101.44 m，校核洪水位(200年一遇)102.34 m，水库淤积高程98.0 m。

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》[17](SL189—96)，渗流计算状况可以分为三种情况，第一种是校核洪水位，第二种是正常蓄水位，第三种是设计洪水位。综合考虑大坝实际情况，如坝址以上流域面积小、洪水历时时间短(仅一天左右)等，大坝在设计洪水和校核洪水位两种情况下难以形成稳定渗流，故只对正常蓄水位状况进行复核。

3.3大坝渗流计算

根据地质资料，坝体土的渗透系数见表1。

表1　坝体各土料渗透系数取值表

在坝体渗流稳定分析计算中，q=kh为单宽渗流计算公式。

(1) 现状情况下

图1为单宽渗流量图。第一段单宽渗流量：

q1=2.0453×10-7m3/s/m；日总渗流量Q总=3.18 m3/d。

图1单宽渗流量

褥垫最前缘到最后缘的水力梯度变化图见图2。

图2褥垫最前缘到最后缘的水力梯度变化图

由图2褥垫最前缘到最后缘的水力梯度变化图，可以看出褥垫最前缘水力梯度最大为0.37。

复核计算成果见表2。

表2　渗流计算成果表

(2) 加高培厚情况下

单宽渗流量见图3，单宽渗流量：q1=3.1275×10-7m3/(s·m)；日总渗流量Q总=4.86 m3/d。渗流计算成果 见表3。

从图3～图4可以看出，水力梯度从上游坝坡脚开始随着横坐标的增大缓慢上升，在横坐标为114处达到峰值1.0，而后随着横坐标的增大水力梯度急剧下降，原因是下游排水棱体作用引起的，可见在横坐标为114处最容易发生渗透破坏。

图3　流量及单宽流量图

图4　排水棱体褥垫底水力梯度值

3.4坝坡稳定分析

(1) 坝坡稳定复核计算分析

结合本大坝结构，分别对下大坝游坡整体和上游坡整体稳定性进行分析，计算断面同渗流稳定分析断面。采用SLOPE/W计算程序，毕肖莆法对坝坡稳定进行计算。

(2) 确定计算工况

对于计算工况的确定严格按照相关规范选取，计算工况分非常运用条件下和正常运用条件下两类。

正常运用分如下两种情况：

① 正常蓄水位时，坝体形成稳定渗流的上游坝坡稳定；② 正常蓄水位时，坝体形成稳定渗流的下游坝坡稳定。

非常情况运用分如下两种情况：

① 正常蓄水位遭遇地震时，坝体形成稳定渗流的上游坝坡稳定；② 正常蓄水位遭遇地震时，坝体形成稳定渗流的下游坝坡稳定。

(3) 计算参数的确定

在本次大坝稳定复核计算时，有关参数基本采用《大坝土工试验报告》中的土坝土性指标建议值。建议中的φ、c平均值与原设计时采用值相比偏大，按此计算出来的安全系数偏高决定φ、c分别取其最小试验值作为参数计算。见表4。

计算水位依据调洪演算校核的洪水值：

正常蓄水位100.00 m；死水位98.00 m。

根据选定的断面、确定的参数及计算方法，对正常工况及非常工况条件下现状坝坡及加高培厚坝坡两种情况坝坡稳定进行复核，复核结构分别见表5～表8。

表4　水库大坝土土性指标建议值

表5　现状大坝正常运用安全稳定计算结果表

表6　现状大坝正常运用+抗震安全稳定计算结果表

表7　培厚大坝正常运用安全稳定计算结果表

表8　培厚大坝正常运用+抗震安全稳定计算结果表

该水库水工建筑物属5级，大坝安全系数亦采用5级标准，即：正常情况1.25；非常情况1.1。

(4) 稳定计算结果

1) 现状复核

① 正常情况上游坝坡整体稳定分析

计算水位为正常蓄水位100 m时，上游的安全系数如图5所示(图5～图12横坐标为大坝宽度，纵坐标为高程，单位为m)。

图5正常蓄水位100 m时上游的安全系数

k正常=3.057>1.25(大坝安全系数五级标准)。

② 正常情况下游坝坡稳定分析结果

计算水位为正常蓄水位100 m时，下游安全系数如图6所示。

图6正常蓄水位100 m时下游安全系数

k正常=1.081<1.25(大坝安全系数五级标准)。

③ 非常情况上游坝坡整体稳定分析

正常蓄水位考虑地震作用时上游安全系数如图7所示。

图7考虑地震作用时上游安全系数

k非常=2.056>1.1(大坝安全系数五级标准)。

④ 非常情况下游坝坡整体稳定分析

正常蓄水位考虑地震作用时的下游安全系数，如图8所示。

图8考虑地震作用时下游安全系数

k非常=0.810<1.1(大坝安全系数五级标准)。

根据《水工建筑物抗震设计规范》[18](SL203—97)以及《碾压式土石坝设计规范》[19](DL/T5395—2007)。从表5及6可以看出：现状正常运用条件下大坝上游坝坡安全系数为3.057大于规范值1.25，处于稳定状态；下游坝坡安全系数为1.081小于规范值1.25，结果表明不稳定。现状非正常运用条件下大坝上游坝坡安全系数为2.056大于规范值1.1，处于稳定状态；下游坝坡安全系数为0.801小于规范值1.1，结果表明不稳定。由此可见大坝需要进行除险加固。

2) 大坝加高培厚

根据坝坡稳定分析结果，结合工程实际情况，对大坝加高培厚。

① 正常情况下游坝坡稳定分析结果

计算水位为正常蓄水位100 m时，下游安全系数如图9所示。

图9正常蓄水位100 m时上游的安全系数

k非常=3.326>1.25(大坝安全系数五级标准)。

② 正常情况下游坝坡分析结果

计算水位为正常蓄水位100 m时，下游安全系数如图10所示。

图10正常蓄水位100 m时下游安全系数

k非常=1.675>1.25(大坝安全系数五级标准)。

③ 非常情况上游坝坡整体稳定分析

正常蓄水位考虑地震作用时上游安全系数如图11所示。

图11考虑地震作用时上游安全系数

k非常=2.249>1.1(大坝安全系数五级标准)

④ 非常情况下游坝坡整体稳定分析

正常蓄水位考虑地震作用时的下游安全系数，如图12所示。

图12考虑地震作用时下游安全系数

k非常=1.160>1.1(大坝安全系数五级标准)

从表7及表8复核结果可以看出，大坝经过加固设计后，大坝在正常应用及非常运用情况下上游、下游坡稳定安全系数均大于规范所规定的安全系数，满足《碾压式土石坝设计规范》[19](DL/T 5395-2007)和《水工建筑物抗震设计规范》[18](SL203-97)的要求，所以对上下游坝坡进行这样的加固设计是合理的。

4结语

本文借助GeoStudio软件中的SEEP/W与SLOPE/W两个模块进行耦合计算，应用毕肖普法结合某小型水库实际情况对不同工况下现状坝坡稳定进行分析，计算出的边坡安全系数[20]，判断出大坝现状不稳定，需进行加固处理，并对加固后不同工况下坝坡稳定性进行复核，表明加固初设是合理的。从本例分析过程可以看出SLOPE/W软件在坝坡坝坡稳定分析方面，在计算速度和准确程度上效果都比较好，能够达到预期效果，也说明SLOPE/W作为辅助计算分析小型水库边坡稳定性是可行的，也是很有必要的，但是同时在本次计算过程中也存在一些缺陷，例如在分析过程中忽略了降雨、其它地面渗流等因素，如若考虑则会使得计算结果更加接近实际情况。

参考文献：

[1]秦凯旭，冯文凯，郎秋玲．GEO—SLOPE软件在某滑坡稳定性计算中的应用[J]．灾害学，2007，22(2)：21-24.

[2]王文松．改良型上游法在强地震区尾矿库中的应用及坝体稳定性研究[D]．重庆：重庆大学，2013：2-23．

[3]白桃，黄晓明．考虑土体参数空间变异性的边坡极限平衡法求解[J]．西南交通大学学报，2014，49(4)：662-667．

[4]陈国华，何维彬，朱志刚．滑坡稳定性评价方法对比研究[C]// 第三届全国岩土与工程学术大会论文集.成都：四川科学技术出版社，2009：222-226．

[5]黄梦宏，丁桦．边坡稳定性分析极限平衡法的简化条件[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(12)：2529-2536．

[6]姜清华，严稳平，高志军．极限平衡法在巴东滑坡群中的应用[J]．土工基础，2007，21(2)：44-46.

[7]邹广电，魏汝龙．土坡稳定分析普遍极限平衡法数值解的理沧及方法研究[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(2)：363-370．

[8]郑宏，李春光，李焯芬，等．求解安全系数的有限元[J]．岩土工程学报，2002，24(5)：626-628．

[9]李志宏，党发宁．有限元法分析边坡稳定及工程实例[J]．两北水力发电，2006，22(3)：87-90．

[10]Spencer E. A method of analysis of the stability of embankments assuming parallel interslice forces[J]．Geotechnique，1967，17(1)：11-26．

[11]Morgenstern N R, Price V E. The analysis of the stability of general slip surfaces[J]. Geotechnique， 1965,15(1):79-93.

[12]Sarma S K. Stability analysis of embankments and slopes[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 2015,105(5):1511-1524.

[13]Janbu N. Application of composite slip surfaces for stability analysis[C]//Proceedings of the European Conference on Stability of Earth Slope. Stockholm：Elsevier，1954：43-49.

[14]Griffiths D V, Fenton G A. Risk assessment in geotechnical engineering[M]．Hoboken，New Jersey：John Wiley&Sons，Inc，2008:381-399．

[15]白桃，黄晓明．考虑土体参数空间变异性的边坡极限平衡法求解[J]．西南交通大学学报，2014,49(4):662-667．

[16]李宁，刘建林，高双强，等．Geo-Slope软件在小型水库大坝结构稳定分析中的应用[J]．水利与建筑工程学报，2010,8(1):78-50．

[17]中华人民共和国水利部.小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则：SL189-96[S].北京：中国水利水电出版社，1996.

[18]中华人民共和国水利部.水工建筑物抗震设计规范：SL203-97[S].北京：中国水利水电出版社，1997.

[19]中华人民共和国国家发展和改革委员会.碾压式土石坝设计规范：DL/T5395-2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

[20]郑涛，张玉灯，毛新生．基于Geo-Slope软件的土质边坡稳定性分析[J]．水利与建筑工程学报，2008,6(1):6-8．

Dam Slope Stability Recheck after the Preliminary Design of a Small Reservoir Based on SLOPE/W

ZHANG Jiarong

(ShangluoUniversity,Shangluo,Shaanxi726000,China)

Abstract：The reservoirs constructed in the last sixties and seventies in Shaanxi Province have different level of safety issues and the needs for reinforcement are necessary to maintain the safe operations of the reservoirs. This paper adopted the SLOPE/W software to recheck a dam slope stability, the functions, principles and simulation processes were introduced first, after which an example of a small reservoir from Shaanxi province was finished. The present situation of the library of dam in normal application and veries use conditions of the upstream and downstream was calculated to verify the safety coefficient of the slope stability, the results revealed that the seepage was not stable, and the stability of dam slope under different operation conditions was rechecked and thus the rationality of the reinforcement design was verified. This method was also adopted in other 12 small reservoirs and the results were good. It can be concluded that SLOPE/W can be adopted to analyze the slope stability of reservoirs and has advantages like advantage of fast speed, high reliability.

Keywords:SLOPE/W software; stability recheck; small reservoir

文章编号：1672—1144(2016)01—0178—06

中图分类号：TV62+1

文献标识码：A

作者简介：张家荣(1982—)，男，陕西洛南人，硕士，讲师，主要从事水利水电建设工程管理。 E-mail: 35691783@qq.com

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目“陕南生态移民后期扶持监测评估系统设计与研究”(15JK1232)；商洛学院科研项目“陕南生态移民后期扶持监测评估研究”(13sky002)

收稿日期：2015-09-03修稿日期：2015-10-07

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.033