水利枢纽高边坡稳定性及加固措施分析

洪 祥,宋亚红

(如皋市水利建筑安装工程有限公司,江苏 南通 226500)

0 引 言

水利枢纽作为重要的水资源调节和利用工程,其高边坡稳定性研究具有重要意义。高边坡是指水利枢纽中的大坝、堤坝以及溢洪道、导流隧洞等工程结构中的垂直面或斜坡面,其稳定性直接关系到工程的安全运行和持久发展[1-2]。

一方面,水利枢纽高边坡稳定性研究对于保障工程的安全运行至关重要。水利枢纽所承载的水压力、地震力以及温度变化等外部因素,都会对高边坡的稳定性产生影响。通过深入研究高边坡的稳定性特性和其受力机制,可以确定合适的抗滑稳定措施,提高工程的抗灾能力和安全性,确保水利枢纽长期稳定运行,有效防止因高边坡失稳引发的灾害事故发生[3]。

另一方面,水利枢纽高边坡稳定性研究对于生态环境的保护和地质灾害的预防具有重要意义。水利枢纽的建设往往需要改变原有的地形地貌,对周边生态环境产生一定的影响。通过科学研究高边坡的稳定性问题,可以降低工程对生态环境的破坏,保护生态系统的稳定性和多样性[4]。同时,在高边坡稳定性研究中,也可以对地质灾害进行评估和预测,提前采取措施,减少地质灾害的发生,保护周边地区的人民生命财产安全。因此,水利枢纽高边坡稳定性研究的重要性不言而喻[5]。它不仅能够保障工程的安全运行和持久发展,节约投资和减少工程风险,还能够保护生态环境,预防地质灾害[6]。

因此,本文以某水利枢纽高边坡工程为研究背景,通过有限元软件,探究水位变化过程中边坡稳定性系数变化情况,揭示水位变化下的边坡稳定性变化机理,为工程设计提供依据,制定边坡坡度、支护结构和防护措施。合理的工程设计不仅能够提高高边坡的稳定性,减少工程风险,还能有效降低工程成本,提高工程的可持续性。

1 工程概况

本文以江苏省某水利枢纽高边坡为研究背景,该边坡最高海拔670m,最低海拔580m,最陡处边坡坡率0.8。地质从上到下共分为4层:第一层由卵石和粉质黏土组成;第二层为全风化云母石英片岩;第三层为强风化云母石英片岩;第四层为弱风化云母石英片岩。在边坡坡脚处堆放有高度20m的大量弃土。

通过现场实勘发现,边坡的局部稳定性差,出现开裂、滑移的现象。其中,3条变形的具体情况如下:1#处贯穿裂缝长25m,宽5cm,属于浅土滑移;2#处滑移始于2013年,后缘错坎高80cm,发生滑移的坡体长25m,宽30cm,厚2m。边坡断面图见图1。

2 有限元建模

本研究假设黏土岩体为理想弹塑性材料,而硬岩体为各向同性弹性材料。所有分析均在平面应变条件下进行。假定硬岩和黏土层的质量分别为一般和较差。硬岩的杨氏模量设为1GPa,而黏土的杨氏模量设为硬岩的1/20和1/50,目的是研究黏土的存在对岩质边坡失稳的关键作用。假设硬岩的单位重量和泊松比分别为26.2kN/m3和0.2,处于优质岩体的合理范围内。

基础边界定义为模型左右两侧表面和底面的法向位移固定为零,顶部边界定义为不受约束可以自由变形。模型基于水库横截面积的高程读数,使用六节点三角形单元生成。开发的有限元模型包含约22 606个单元和183 380个节点。土体参数的容重、黏聚力和内摩擦角从上至下分别为1.7g/cm3、11kPa、14°;2.2g/cm3、15kPa、35°;2.7g/cm3、40kPa、25°;2.77g/cm3、100kPa、35.6°;2.83g/cm3、140kPa、36.1°。具体模型见图2。

图2 模型图

3 边坡稳定性

3.1 静止水位的影响

在静止水位状态下,边坡稳定性系数的变化规律见图3。由图3可知,边坡的稳定性系数随着蓄水位的增加而增加,稳定性系数处于1.05～1.3之间。蓄水位的增加导致边坡底部的水压力增加。水在边坡与土体之间产生的水压力对土体施加一个向上的力,这种力有助于抵抗边坡的下滑和倾覆。因此,随着蓄水位的增加,边坡底部的水压力增大,使边坡的稳定性系数增加。

图3 静止水位状态下边坡稳定性系数变化

此外,蓄水位的提高可能导致土体饱和线以下土体饱和度的增加。饱和土的内摩擦角通常较干燥土体小,表明饱和土体的剪切强度较低。在饱和度较低时,土体颗粒间的水分起到润滑作用,从而降低了土体的抗剪强度。因此,随着饱和度的增加,土体的抗剪强度增加,有助于提高边坡的稳定性系数。但边坡的整体稳定性均低于规范设定的安全阈值,须对其进行加固处理。

3.2 水位上升的影响

在静止水位上升过程中,边坡稳定性系数的变化规律见图4。由图4可知,边坡的稳定性系数随着蓄水位的增加呈现先减小后增大,最后趋于稳定。在蓄水位为628m处时,稳定性系数最小为1.088 9。蓄水位上升会增加水对边坡的压力,压力作用下软弱土层的稳定性减弱,导致整体稳定性系数下降。当水压力的增加超过一定值时,可以填充边坡中的孔隙空间,并提供一定的支撑作用,使边坡的整体稳定性系数增大,从而提高边坡的稳定性。从水位变化对边坡安全系数影响的变化规律可以看出,蓄水位从623m增加至628m之间,堆积的土体逐渐处于饱和状,边坡的稳定性降低,此时易发生失稳破坏。

图4 水位上升过程中边坡稳定性系数变化

3.3 水位下降的影响

水位以0.3m/d的速度每下降6～7m过程中,边坡状态变化情况见图5。由图5可知,在水位为629～623m时,边坡的滑动形态为圆弧状,边坡的影响范围从坡顶到坡脚,且边坡的滑动区域最大,此时的稳定性最差。当水位在636～629m时,滑动区域的影响厚度减小,脚部的应力集中,土体饱和。当水位处于643～636m时,滑动影响区域进一步减小,应力集中局域进一步下移;在水位处于643m时,脚部的应力集中最大,边坡整体稳定性最好。

图5 矢量云图

水头下降过程中,边坡稳定性系数的变化规律见图6。由图6可知,随着水头下降,边坡的稳定性系数呈线性下降。在水头下降值达到15m时,边坡稳定系数达到最小值;水头下降超过15m后,边坡的稳定性系数逐渐上升。

图6 水头下降过程中边坡稳定性系数变化

首先,水力作用对边坡稳定性产生重要影响。当水头较高时,水流对边坡施加的压力较大,导致边坡的稳定性系数较高。这是因为水流所带来的惯性力、浸润力和动压力等会增大边坡的受力,使其处于较为不稳定的状态。当水头下降时,这些水力作用逐渐减小,边坡所受的压力也相应减小,导致边坡稳定性系数呈线性下降趋势。

其次,边坡材料的特性对稳定性系数的变化起重要作用。某些边坡材料在水流冲刷下容易发生流失、溃决等现象,导致其稳定性下降。随着水头的下降,水流对边坡的冲刷作用减弱,材料的流失现象减少,因此边坡的稳定性系数下降。当水头下降至15m时,边坡材料经历了最严重的流失和变形,导致边坡稳定性系数达到最小值。当水头继续下降超过15m后,由于流失等现象已经达到极限,边坡的稳定性系数开始逐渐上升。

因此,这种水头与边坡稳定性系数变化的关系是因为水力作用和边坡材料特性相互作用的结果。水头下降会减小水流对边坡的压力,降低边坡稳定性系数。同时,边坡材料的流失和变形会随着水头的下降而减少,提高边坡稳定性系数。

3.4 稳定性系数对比

在不同水位区间中,水位上升和水位下降对边坡稳定性系数的影响见图7。变化幅度是由该区间的最高稳定性系数与628m处最小值的差值与628m处最小值的比值确定。由图7可知,在水位从623m升高至628m的过程中,稳定性系数降低6.91%;从628m升高至643m的过程中,稳定性系数升高9.82%。在水位从628m下降至623m的过程中,稳定性系数增加10.43%;从643m下降至628m的过程中,稳定性系数降低14.5%,表明水位下降对边坡的影响比上升更大。

图7 稳定性系数对比

当水位降落时,从边坡中排水的速度增加,导致孔隙水压力的快速消散。这种快速消散可能引起边坡内部的渗流和孔隙水流动,进而减小了边坡材料之间的摩擦力和颗粒间的相互支撑作用,降低了边坡的整体抗剪强度和稳定性。同时,边坡材料可能因为瞬时排水而发生排水湿陷和松动,使边坡结构的强度和稳定性进一步降低。相比之下,水位上升过程中,水流对边坡的压力增加,会增加边坡的抗滑强度,并且水能对边坡表面形成一定的冲刷保护层,有助于减少边坡材料的流失和侵蚀。

因此,水位降落在较短时间内改变了边坡内水力环境,破坏了边坡的稳定性,因而比水位上升更容易引发边坡破坏。

3.5 工程措施

为了降低边坡滑动风险并保护桥梁基础和路基安全,采取沿河道设置高24m的反压护道、设立肋板墙段和锚索肋板墙防护3个重要措施。高24m的反压护道通过提供支撑和阻挡效果稳定边坡,抵消水头对边坡的压力,有效降低滑动风险。设立肋板墙段进一步加强边坡的抗滑能力,钢筋混凝土板和肋柱结构提供了强大的抗剪和抗滑能力,伸缩缝的设置减少了应力集中,确保结构完整性。锚索肋板墙防护进一步增强了边坡的稳定性和防护能力。通过使用钢绞线锚索,将墙体与岩土体连接起来,提供了全面的支撑和防护效果。这些措施共同发挥作用,可减少边坡滑动风险,保护桥梁基础和路基的安全。通过沿河道设置反压护道、肋板墙段和锚索肋板墙防护的综合应用,可实现边坡整体稳定,有效降低滑坡和坡面沉降的风险,确保交通运输安全和基础设施的长期稳定运行。

4 结 论

本文以某水库路基边坡为研究背景,通过有限元分析了水位变化过程对边坡稳定性系数的影响,探讨了水利枢纽高边坡稳定性及加固措施。结论如下:

1)边坡的稳定性系数随着蓄水位的增加而增加,稳定性系数处于1.05～1.3之间。静水位条件下,该边坡的整体稳定性均低于规范设定的安全阈值,须对其进行加固处理。

2)边坡的稳定性系数随着蓄水位的增加呈现先减小后增大,最后趋于稳定。在蓄水位为628m处时,稳定性系数最小为1.088 9。

3)随着水头下降,边坡的稳定性系数呈线性下降。在水头下降值达到15m时,边坡稳定系数达到最小值;水头下降超过15m后,边坡的稳定性系数逐渐上升。