象鼻咀沥青混凝土心墙堆石坝坝坡稳定性分析

蒋琳琳，赵 川，张炅冏

(1.天津大学仁爱学院，天津 301636; 2.四川省水利科学研究院，成都 610072;3. 西华大学能源与动力工程学院，成都 610039; 4.水利部海委海河下游管理局，天津 300061)

沥青混凝土心墙堆石坝是一种常见的土石坝，具有防渗性可靠、抗震性强、适应坝体和基础变形能力强等优点，目前有越来越多的沥青心墙坝正在设计和施工[1,2]。在我国西南地区，采用石渣料修建沥青心墙坝起步较晚，但发展十分迅速[3-5]。

沥青心墙坝的设计关键在于坝体材料分区设计及沥青心墙和过渡料及石渣料的变形协调[6,7]，根据目前已经修建完工并投入运行的沥青混凝土心墙堆石坝反馈的情况来看，分区堆石料及心墙的变形协调问题已基本解决，而对西南地区砂岩石渣料沥青心墙坝的坝坡渗流稳定计算还缺乏统一结论。鉴于此，本文以四川省内江市威远县象鼻咀沥青混凝土心墙堆石坝工程为例，基于室内坝料性能试验，采用极限平衡法计算分析象鼻咀沥青心墙坝在正常运用条件和非常运用条件I等5种工况下的坝坡稳定，以供类似工程借鉴。

1 工程概况

象鼻咀水库工程位于四川省内江市威远县北部山区连界镇先锋村和反帝村威远河上游干流宝溪河之陈家沱至象鼻咀河段上，威远河系沱江右岸二级支流，属沱江水系，在水口庙以上称宝溪河。威远河主流发源于威远县境内的连界场清风寨两母山东北麓，干流全长131 km，全流域面积1 022 km2，河道平均比降0.48%。工区距威远县城35 km，有乡村公路通过，对外交通较方便。

象鼻咀水库工程为沥青混凝土心墙堆石坝、右岸溢洪道和左岸放空洞的枢纽总体布置方案。水库正常蓄水位：583 m，死水位：554 m，校核洪水位：583.70 m，设计洪水位：583 m，正常蓄水位库容：533 万m3，死库容：40.5 万m3，有效库容：492.5 万m3，总库容542.3 万m3。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL 252-2000，本工程规模属小(一)型，工程等别为Ⅳ等。沥青混凝土心墙堆石坝坝顶高程584.3 m，坝顶宽6 m，最大坝高55.3 m，坝顶轴线长114.64 m。按坝体结构设计，除沥青混凝土心墙外，大坝共分为5个区，分别为上游堆石区、下游堆石区、上下游过渡层区、堆石排水带和C20混凝土基座。结合工程实际情况，将计算坝体剖面进行适当简化处理，见图1。

图1 象鼻咀沥青混凝土心墙坝典型横剖面(单位:m) Fig.1 Typical cross section of bitumen concrete core wall dam

2 计算方法和工况

2.1 块体极限平衡法

土石坝坝坡的稳定性计算主要考虑水位以上坡体的渗流压力，而水位以下部分，将坡面以上水体视为一种有重度无强度的特殊材料[8-10]，本次坝坡稳定计算拟采用瑞典法和毕肖普法[11,12]。

2.2 计算工况

根据碾压式土石坝设计规范(DL/T5395-2007)有关规定[13]，大坝渗流稳定计算应考虑水库运行中的各种不利组合，并对各种水位情况下做稳定渗流计算和非稳定渗流计算。

结合象鼻咀水库的水位特征和实际运行情况，本次坝坡稳定计算考虑了大坝正常运用条件和非常运用条件I。其中，正常运用条件包括正常蓄水位和正常蓄水位正常降落至死水位2种工况，而非常运用条件I包括竣工期、校核洪水位和校核洪水位非常降落至放空底板高程3种工况。

由于工程区地震动峰值加速度为0.05 g，对应的地震基本烈度为Ⅵ度，可不考虑地震作用的影响。

3 计算参数获取

通过对象鼻咀水库土石坝心墙沥青混凝土材料、配合比和性能试验进行研究，并结合工程实际情况，推荐采用试验中8号配合比作为象鼻咀沥青混凝土心墙的施工配合比。配合比材料和级配详细参数如表1所示，矿料级配见表2，配合比级配曲线见图2。

水稳定性能试验是将同一批尺寸为φ100×100 mm的试件分2组，1组试件在60±1 ℃的水中浸泡48 h后，再在20±1 ℃的水中恒温2 h，然后进行抗压试验；另1组在20±1 ℃空气中恒温不少于48 h进行抗压试验，2组抗压强度之比为水稳定系数。试验中变形速度为1.0 mm/min，8号配合比沥青混凝土水稳定试验结果见图3。

表1 推荐的正常气温条件下心墙沥青混凝土配合比表Tab.1 Recommended mixture ratio of core wall asphalt concrete under normal temperature

表2 推荐配合比的矿料级配表Tab.2 Mineral aggregate grading table recommended of mix proportioning

图2 推荐配合比级配曲线Fig.2 Recommend mixture ratio gradation curve

根据2组试验的抗压强度结果，计算得到8号配合比水稳定系数为1.12，水稳定系数大于0.9，满足DL/T5363-2016《水工碾压式沥青混凝土施工规范》的要求。根据上述试验结果及地质工作前期勘探资料，主要稳定计算参数取值采用试验参数见表3。

图3 水稳定试验曲线Fig.3 Water stability test curve

表3 象鼻咀水库坝坡稳定计算参数建议值Tab.3 Proposed value for stability calculation of Trunk Tsui reservoir

4 坝坡稳定性分析

4.1 堆石坝安全系数

分别采用瑞典法和毕肖普法计算了坝体在5种运行工况时象鼻咀沥青混凝土心墙坝上、下游坝坡的稳定安全系数，包含了大坝正常运用条件和非常运用条件I，具体稳定计算结果见表4。

分析表4可知：瑞典法和毕肖普法均基于刚体极限平衡理论，但采用非线性指标时，毕肖普法计算的稳定安全系数比瑞典法计算的稳定安全系数平均提高了4.9%；而当采用线性指标时，毕肖普法计算的稳定安全系数比瑞典法计算的稳定安全系数平均提高了5.5%。这是由于毕肖普法相比瑞典法仅忽略了土条间切向作用力Xi的影响，假定土条底部滑动面上的稳定安全系数相同时，毕肖普法计算结果更加合理(后文均以毕肖普法计算结果进行说明)。在所有工况下，采用非线性指标计算得到的稳定安全系数均明显大于线性指标的计算结果，平均提高了6.4%。

为了评价非线性强度指标和线性强度指标计算结果的差异，给出了两种强度指标计算的坝坡滑弧对比，见图4。以正常蓄水位时大坝上游坝坡为例。分析滑弧分布可知，非线性强度指标计算得到的滑弧较深，而线性强度指标计算得到的滑弧相对更浅，仅在堆石坝表层发生滑动。

根据工程实际情况，上游坝坡表面采用六棱块护坡，坝坡发生浅层滑动的概率相对较小，而主要以深层滑动为主。因此，建议采用非线性强度指标进行堆石坝的坝坡稳定性计算。

综合表4中采用非线性强度指标的计算结果，并结合土石坝设计规范[13]，可见在正常运用条件和非常运用条件I各工况下上下游坝坡的安全系数均大于规范最小要求值(毕肖普法计算坝坡稳定时，正常运用条件和非常运用条件I规范最小值分别为1.35和1.25)，说明象鼻咀沥青混凝土心墙坝坝体设计满足土石坝设计规范要求。

表4 象鼻咀水库坝坡稳定安全系数计算成果Tab.4 Results of stability safety factor of Trunk Tsui dam slope

图4 非线性强度和线性强度指标坝坡滑弧对比(正常蓄水位)Fig.4 Nonlinear and linear strength index of dam slope slip arc contrast (normal water storage)

4.2 竣工期及上游水位变化时的坝坡稳定

计算得到了象鼻咀水库大坝在竣工期时上、下游坝坡的危险滑裂面分布位置(见图5)，竣工期上游坝坡稳定安全系数为1.46，而此时下游坝坡稳定安全系数为1.58，下游坝坡稳定安全系数大于上游坝坡稳定安全系数，但上、下游坝坡危险滑裂面滑弧深度相近，起于坡顶，止于坡脚。由于该大坝上游坝坡和下游坝坡坡比均为1∶1.7，因此，上、下游坝坡稳定安全系数的差异主要是由于下游坝坡在高程546.3 m处设有宽3 m的人行马道，将下游坝坡分为2级，从而提高了下游坝坡的整体稳定性。

图5 竣工期坝坡滑裂面分布Fig.6 Distribution of slop surface of completion period

根据表4的结果可知，各工况下游坝坡的稳定安全系数变化很小，基本在1.55～1.60之间变化，受库水位变化的影响很小。而库水位变化主要影响上游坝坡的稳定性，图6和图7分别为正常蓄水位～死水位和校核洪水位～放空高程的坝坡危险滑裂面分布。对于本文研究对象象鼻咀沥青混凝土心墙堆石坝，库水位对坝坡的力学作用是影响其稳定性的主要因素。

图6 正常蓄水位～死水位坝坡滑裂面分布Fig.6 Distribution of sliding surface of normal reservoir ～ dead water level

图7 校核洪水位～放空高程坝坡滑裂面分布Fig.7 Distribution of slop surface of check flood water ～ empty level

正常蓄水期(583 m)，在垂直坡面方向，上游库水的静水压力挤压坝坡，产生垂直于坝坡的推力，大部分堆石体被蓄水淹没，淹没部分存在水体入渗进而产生浮力作用，抵抗了潜在滑裂面上部堆石体的自重，坝坡稳定计算时浸润线以下填筑的堆石体采用浮重度，上游坝坡整体稳定性提高明显，此时的稳定安全系数比竣工期的稳定安全系数提高约6.2%。

库水位由正常蓄水位583 m骤降至死水位554 m时(按10 d计算)，伴随着上游坝坡前库水位的下降，坝体内潜水位也随之下降，渗流计算的浸润线分布见图6，可见不同时刻上游坝坡内的浸润线基本与上游水面线齐平，不存在潜水位滞后的情况。分析原因，主要是因为象鼻咀堆石坝堆石料的设计指标最大粒径不超过800 mm，干密度2.11 t/m3，主要采用弱风化～新鲜砂岩，最大粒径控制为800 mm，小于5 mm含量5%～15%，小于0.075 mm含量不大于5%，渗透系数控制为大于1×10-1cm/s，说明堆石料渗透性很好。在此工况下上游坝坡稳定安全系数为1.47，说明库水位由正常蓄水位583 m骤降至死水位554 m时坝坡稳定性好。

当库水位由校核洪水位583.70 m骤降至放空底板高程533 m时(按20 d计算)，此时的瞬时浸润线同样与上游水面线齐平，不存在潜水位滞后的情况，见图7。此时上游坝坡的稳定安全系数减小到1.31，比正常蓄水位时上游坝坡的稳定安全系数减小了10.3%。此工况下的滑裂面位于上游坝坡坡脚。

5 结 语

通过对象鼻咀沥青混凝土心墙坝材料进行各项性能试验，获得了较为可靠的坝料各项力学参数指标，可用于指导工程设计和施工。本文基于室内试验结果，采用极限平衡法计算分析了象鼻咀沥青混凝土心墙堆石坝在正常运用条件和非常运用条件I等5种工况下的坝坡稳定性，得到以下结论。

(1)在所有运行工况下，象鼻咀沥青混凝土心墙坝上、下游坝坡的稳定安全系数均大于规范最小要求值，象鼻咀沥青混凝土心墙坝坝体设计满足规范要求。

(2)采用非线性强度指标进行象鼻咀堆石坝坝坡稳定性计算得到的稳定安全系数大于线性强度指标计算得到的稳定安全系数，且采用非线性强度指标计算得到的坝坡滑弧更符合实际情况，建议采用非线性强度指标作为设计控制指标。

(3)象鼻咀沥青混凝土心墙堆石坝坝壳料渗透系数设计指标大于1×10-1cm/s，堆石料渗透性好，坝体堆石料内不存在潜水位滞后的情况，说明即使在最不利的水位骤降工况下，该坝体的稳定性仍然较好。

(4)象鼻咀沥青混凝土心墙堆石坝填筑材料多为弱风化砂岩，易受水体侵蚀影响，建议在蓄水使用阶段采取相应的防护措施。

象鼻咀沥青混凝土心墙堆石坝已于2014年6月整体完工并进行试蓄水，截至目前，坝后渗漏量较小，坝坡稳定性良好，水库枢纽工程保持正常运行。

□

参考文献：

[1] 丁树云, 毕庆涛. 深厚覆盖层上沥青混凝土心墙土石坝的应力变形特征[J]. 水力发电, 2011,37(4):43-45.

[2] 王建祥, 唐新军, 凤 炜. 土石坝沥青混凝土心墙材料参数对其工作性状的影响[J]. 南水北调与水利科技, 2013,11(4):178-181.

[3] 饶锡保, 程展林, 谭 凡,等. 碾压式沥青混凝土心墙工程特性研究现状与对策[J]. 长江科学院院报, 2014,31(10):51-57.

[4] 张丙印, 李全明, 熊 焰,等. 三峡茅坪溪沥青混凝土心墙堆石坝应力变形分析[J]. 长江科学院院报, 2004,21(2):18-21.

[5] 时铁城, 阮建飞, 张 晓. 库水位骤降情况下土石坝坝坡稳定分析[J]. 人民黄河, 2014,36(2):93-94.

[6] 尹吉娜, 柴 瑞, 杨 杰,等. 库水位骤降下除险加固后土坝安全性态响应及评价[J]. 水电能源科学, 2015,33(7):76-79.

[7] 王为标, 张应波, 朱 悦,等. 沥青混凝土心墙石渣坝的有限元计算分析[J]. 水力发电学报, 2010,29(4):175-180.

[8] Huang M, Jia C Q. Strength reduction FEM in stability analysis of soil slopes subjected to transient unsaturated seepage[J]. Computers & Geotechnics, 2007,36(1):93-101.

[9] Chen X, Wu Y, Yu Y, et al. A two-grid search scheme for large-scale 3-D finite element analyses of slope stability[J]. Computers & Geotechnics, 2014,62(62):203-215.

[10] 周跃峰, 谭国焕, 甄伟文,等. 非饱和渗流分析在FLAC3D中的实现和应用[J]. 长江科学院院报, 2013,30(2):57-61.

[11] 赵 川, 付成华, 欧阳朝军,等. 水位下降对某悬索桥桥基边坡稳定性影响分析[J]. 灾害学, 2016,31(4):134-138.

[12] 李海洋. 基于Auto-bank软件的闸基渗流分析[D]. 山东青岛：中国海洋大学, 2015.

[13] DL/T5395-2007，碾压式土石坝设计规范[S]．