不同工况下均质土坝坝坡稳定性研究

白闰平 刘海宇 谷宏海

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

土坝由于筑坝材料的取材方便和相对造价低廉两个主要原因，成为了应用较为广泛的一种水库枢纽建筑物[1,2]。关于土坝方面的研究，土坝的安全一直是研究重点。在水库运行期间，土坝的坝坡稳定对水库的安全运行至关重要，因此坝坡稳定也是土坝设计的重要内容[3-7]。1970年，江西七一水库在引水隧洞施工期因采用岩塞爆破而无法控制库水位的降落速度，左、右坝段上游面相继发生滑坡[3,4]。1979年，湖北省狮子岩土石坝，因发现漏水而决定放空水库，随后上游坝坡受库水位骤降影响产生滑坡[3,4]。文中笔者将针对稳定渗流期、施工期、水位骤降期和正常运行遇地震的几种工况下对均质土坝的坝坡稳定进行计算分析，进而研究不同工况下土坝的坝坡稳定。

2 基本资料

文中均质土坝的坝顶高程为1 019.0 m，最大坝高38.0 m，坝顶总长218.96 m，坝顶宽度为7 m，最大坝底宽215 m；上游坝坡为1∶3.0；下游坝坡1∶2.5，在高程1 004.0 m、高程989.0 m两处设宽2.0 m的马道，排水棱体顶高程985.0 m，顶宽2 m，下游坡比为1∶2.0。

针对不同工况给出计算参数如下：

1)施工期。本工况计算参数通过实验结果和工程经验类比确定。各分区材料计算参数见表1。

表1 坝坡稳定计算参数表(一)

2)正常运行期(稳定渗流期)。本工况计算参数通过实验结果和工程经验类比获取。各分区材料计算参数见表2。

表2 坝坡稳定计算参数表(二)

3)水位骤降期。本工况计算参数通过实验结果和工程经验类比获取。各分区材料计算参数见表3。

表3 坝坡稳定计算参数表(三)

3 计算原则和基本假定

文中采用刚体极限平衡分析法进行计算。基本假定如下：

1)破坏准则：摩尔—库仑破坏准则；2)孔隙水压力：根据浸润线的位置按简化原则确定。假定流场的等势线铅直，某点的孔隙水压力的水头等于该点至浸润线与该点至坡外水位的铅直距离差；3)坡外水位：坡外水位以下的那部分土体的自重被转换成浮容重，而浸润线与坡外水位之间的那部分土体仍用饱和容重；4)计算库水位骤降情况下的上游坝坡稳定时，利用非稳定渗流计算(正常蓄水位到死水位)所得浸润线作为坝体内水位骤降的浸润线；5)施工期假设坝基上下游无水，施工期水位为地下水位。

4 计算工况

计算工况的选取如表4所示。

表4 下坝址坝坡稳定计算工况

5 计算结果分析

本文采用Autobank7.7软件进行计算分析。地震工况下，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g。

均质土坝坝坡的稳定计算分为两个步骤：

1)建立有限元模型，通过计算得出各工况下的坝体浸润线。

2)将所得坝体浸润线作为坝体稳定计算的水位线，采用软件的自动搜索功能得出最危险滑弧的安全系数。

均质坝渗流计算有限元模型见图1。

通过坝坡的稳定计算，得出各工况下坝坡的最危险滑弧位置与最小安全系数，如图2所示。

根据上述计算，得出均质土坝坝坡最小安全系数，汇总于表5。

表5 各工况下坝坡稳定计算结果

从计算结果中分析可以看出，坝坡的滑弧均为深滑弧，在大多数工况下，最危险滑弧的滑出点位于坝顶下方。在库水位骤降工况下滑弧深度较其他工况浅，但仍在安全范围内。最危险的工况为水位骤降工况。

6 结语

文中通过对不同工况下均质土坝的坝坡稳定性进行计算，发现水位骤降工况下坝坡稳定性最低。导致坝体稳定性下降的主要原因有两点：1)均质土坝在库水位骤降的工况下，坝体土的孔隙水压力来不及消散，致使坝体土颗粒之间的粘结强度降低；2)库水位骤降引起对坝坡稳定性有利的临水侧水压力的消失。正是由于上述两点主要原因，造成了坝体临水侧坝坡稳定性的下降。