宝鸡峡98km塬边渠道k91+900m处边坡稳定性分析

巩平福

(中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810007)

宝鸡峡98 km总干渠道，因行走于塬高(100～130 m)坡陡(30°～35°)黄土塬上，居高临下，位置十分险要，被称为人造“天上悬河”，同时渠道沿线，沟壑纵横、泉眼密布、窑洞墓穴众多、地质条件复杂的塬边，是宝鸡峡灌区的“咽喉工程”[1-3]。该渠道于1971年建成通水，现已运行50 a，该区段地质条件复杂，当初建设标准低，加之长期运行，工程老化破损严重，渠道两侧边坡土体由风积、坡积、滑坡堆积和人工堆积等成因类型的土层组成，土层的力学性质差异较大[4-6]。黄土陡边坡表层长时间经历雨水冲刷植被被破坏，致使边坡表面形成冲沟和洞穴[7-8]。边坡上的渠道的衬砌运行时间较长，未做定期维修保养而发生漏水将会引发滑坡。本文以宝鸡峡98 km塬边渠道k91+900 m处边坡为研究对象，针对k91+900 m断面，利用有限元软件Geostudio软件，建立有限元计算模型，对边坡在不同的工况下的安全系数进行计算分析。

1 基本地质概况

桩号k91+650 m～k92+100 m段塬顶高程625.0 m，塬下地面高程490.0 m左右，边坡总高度达130 m，渠堤高程587.6 m，渠道左侧人工边坡坡高约35～40 m，平均坡度约40°。渠堤右侧人工边坡坡高约90 m，外侧斜坡坡度35°～45°。修建渠道时在渠道右侧大量堆积弃土，成为宽度15～20 m人工平台[9]。

人工平台自然堆土厚度一般2～4 m，成分不均一，分布张裂缝，裂缝深度延伸到原始地层的顶面，村民灌溉用水时常从半坡渗出，右侧外边坡在高程520 m到渠顶590 m高边坡平均坡比38°，局部为50°，高程520 m以下地形相对平缓，边坡地层为黄土状壤土及古土壤，土质致密，分布有近于水平的钙核层[10]。

2 边坡计算模型和物理力学参数

依据黄土形成的年代和特点对边坡土分层命名，此断面边坡黄土为7层黄土地层结构，由新到老依次为Q4s、Q3eol、Q22eol+pl、Q21eol+pl、Q12eol+pl、Q11eol+pl和Q1al。边坡计算模型和网格划分模型见图1和图2。

图1 计算模型 图2 模型网格划分

模型的底面边界采用垂直约束形式，左侧高边坡边界采用水平向约束形式。渗漏工况采取在渠道水深2.6 m的范围之内采用加水头的全断面渗漏的边界，地震采用在边坡体上加地震时程加速度的方法。

各土层的物理特性指标(天然容重、饱和容重、渗透系数)和力学特性指标(粘聚力、摩擦角、剪切模量、阻尼比)，具体见表1。

表1 k91+900m段地层物理力学指标

3 边坡稳定性分析

根据边坡地质条件和实际运行工况，本文分别计算边坡在正常运行、渠道发生渗漏、渠道渗漏加地震共三种工况下边坡的安全系数。

3.1 正常运行工况

正常工况具体条件：(1)渠道水位为2.6 m；(2)地下水位依据剖面图标注水位；(3)渠道不发生渗漏，即地下水位保持稳态不变，不同方法计算结果见图3。

图3 采用有效应力指标摩根斯法计算结果

经过计算可得，在正常运行工况下，边坡的左右岸局部安全系数和整体安全系数相差不大，都大于1.2，说明在正常运行工况下，渠道运行安全。

3.2 渠道发生渗漏工况

具体情况是：(1)渠道水位为2.6 m；(2)地下水位依据剖面图标注水位；(3)渠道发生渗漏，即地下水位因渗漏发生变化，不同方法计算结果如下图所示。渠道底部渗漏量为1.154 m3/d。

计算结果表明，渠道发生渗漏时，右岸边坡会发生局部滑坡，继而影响整体边坡的安全稳定性，说明渗漏是影响边坡安全稳定性的关键因素，左右岸和整体边坡在渠道发生渗漏时的安全系数见图4～图6。

图4 渠道渗漏条件下左岸边坡潜在滑坡形态与安全系数 图5 渠道渗漏条件下右岸边坡潜在滑坡形态与安全系数

图6 渠道渗漏条件下整体边坡潜在滑坡形态与安全系数

3.3 渠道地震工况下的安全稳定性

项目区设计地震加速度时程由陕西大地地震工程勘察中心关于陕西地区华县大地震中50 a超越概率10%设防概率水平下的合成场地基岩地震动加速度时程确定，峰值加速度a=0.2 g，特征周期0.34 s，具体的地震加速度时程曲线见图7。对于边坡，因为一般认为垂直于边坡向水平地震是最危险的情况，因此计算时，只考虑输入水平垂直于边坡的地震加速度时程。

图7 地震时程曲线

具体工况为：(1)渠道水位为2.6 m；(2)地下水位依据剖面图标注水位；(3)渠道不发生渗漏，即地下水位保持稳态不变；(4)在此基础上，进行地震时程反应分析计算，边坡安全稳定性计算结果如下。

计算结果表明，地震对边坡左右岸及整体的安全稳定性影响很小，分析原因是宝鸡峡渠道k91km处地震加速度最大值为0.20 g，地震发生时在边坡上不会产生过大的水平剪应力，虽然地震时安全系数有所上下变动，但变化幅值不大，不足以引起边坡滑坡失稳。左右岸及整体边坡安全系数变化时程曲线见图8、图9和图10，右岸地震发生5.2秒时的最小安全系数圆弧面见图11。

图8 左岸安全系数与地震持时的关系曲线 图9 右岸安全系数与地震持时的关系曲线

图10 整体边坡安全系数与地震持时的关系曲线 图11 地震5.2秒时左岸边坡潜在滑坡形态与安全系数图

4 结语

通过数值模拟计算，对正常运行、渠道渗漏和地震情况下的边坡的安全稳定性进行分析，取得了一下结论和认识。

(1)渠道在正常运行工况下，采用有效应力强度指标计算边坡安全稳定性时，摩根斯法计算得到左岸边坡的安全系数为1.303，右岸的安全系数为1.338，整体边坡安全系数为1.363，有效应力的安全系数大于规范要求。

(2)渠道衬砌失效，发生渗漏时，其单宽渗漏量为1.154 m3/d，左岸边坡饿安全系数为1.286，右岸边坡的安全系数为0.807，整体边坡安全系数为0.963，渠道右岸将会发生局部滑坡，连带整体失稳。

(3)在渠道正常运行时，遭遇地震发生，左岸边坡的最小安全系数为1.183，边坡处于频临滑坡状态，右岸边坡的安全系数为1.257，整体边坡的安全系数为1.270，边坡处于安全状态。说明地震对宝鸡峡塬边渠道的稳定性影响很小，在实际工程维护运行管理中，无需过多考虑。

总结分析，宝鸡峡塬边渠道在正常运行工况下，其处于安全稳定状态，不会发生滑坡失稳。在渠道衬砌破坏，发生渗漏情况下，其右岸边坡会发生滑坡破坏，继而联动引起整个边坡滑坡失稳。地震对宝鸡峡渠道安全稳定性影响甚微。