砂砾石填筑引水渠道边坡稳定性分析

□孙玉芬（乌苏市水利管理站）



砂砾石填筑引水渠道边坡稳定性分析

□孙玉芬（乌苏市水利管理站）

摘要：砂砾石层地质边坡在开挖过程中岩体性质及岩体结构变化较大，设计阶段要对砂砾石地基防渗填筑引水渠道的边坡渗流及稳定性进行计算分析。文章就渠道渗流计算和边坡稳定计算过程中的注意事项进行阐述，为设计方案优化提供充分数据支撑。为边坡加固处理设计施工提供有利资料支撑。

关键词：引水渠道；渗流；边坡；稳定性

1工程概况

新疆某水电站引水流量100 m3/s，电站装机容量为40 MW，多年平均发电量1.67亿kW·h。工程由电站引水渠首、引水渠道、暗渠、压力前池、引水隧洞、调压井、压力管道、厂房、尾水渠道、输水渡槽、排洪涵洞、排洪渡槽、交通桥等建筑物组成。本文主要分析引水渠道渗流及边坡稳定性，为边坡加固处理设计施工提供有利资料支撑。

2渠道渗流分析

新疆某水电站工程填方渠道全段采用0.60 mm土工膜防渗，根据SLT231-98《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》的规定，土工膜的渗透系数k值约10-11～10-13cm/s，等同于无限不透水体。土工膜的渗流可以分为两类：无损土工膜在水压力的作用下的渗透；由于各种因素引起的缺陷或破损孔洞而产生的渗漏。

运用水量平衡原理反演出考虑土工膜孔洞的影响后的渗透系数约10-7～10-8cm/s。本计算土工膜采用等效土体法进行计算，把土工膜等效成厚度为2 m，渗透系数为3.30×10-4cm/s的土体。经计算，在土工膜的保护下，渠堤不会发生渗透破坏。

渠堤渗流稳定计算采用有限元法，使用《理正岩土计算5.6PB1》网络版中的“渗流稳定计算系统”进行计算。计算取引水渠道砂砾石最大填高（17 m）的断面进行计算。计算参数见表1。

表1　渠道渗透稳定参数表

根据渗流计算图1，渠堤最高溢出点位于距渠堤约5.50 m左右的外坡，其渗透比降为0.07，小于渠堤填筑砂砾料的允许渗透比降0.08。渠堤不会发生渗透变形。考虑施工、土体位移、基础沉降等原因会造成土工膜局部破坏的不确定性，有可能渠堤会产生渗漏通道，进而发生渗漏破坏。

图1　砂砾石最大填高断面渗流计算简图

堤坡下游坡面渗流溢出后，渗水对渠坡具有一定的冲刷作用，堤坡抗冲刷破坏的临界比降可用下式估算：

JC=γ'/γ"（tanφ-tanβ）cosβ+C/γ"

式中：γ'—土的浮容重；γ"—水的容重；φ—土在水下的内摩擦角；C—土的粘聚力；β—堤坡的坡脚。

经计算，堤坡抗冲刷破坏的临界比降为0.23，大于边坡的溢出比降，渠道在渗透水流的作用下是安全的；但是，由于土工膜防渗体系发生破坏位置、面积等的不可确定性，为满足渗透稳定、保证外边坡不发生渗漏破坏，需在高填方段渠道外边坡外侧浸润线以上加设戗台，既可以起到延长渗径的作用，又可以起到稳固边坡，减小渗漏冲刷的作用。

3渠道边坡稳定性分析

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），对引水渠道进行了抗滑稳定计算。因渠道均采用砂砾石填筑，属土质边坡，故计算采用中国水利水电科学研究院编制的《土质边坡稳定分析程序STAB》。

新疆某水电站工程引水渠道为4级建筑物，根据边坡安全系数控制如表2所示。

表2　渠道边坡设计安全系数表

计算主要考虑两种工况即：a正常运用工况：渠道正常运行；b地震工况：渠道正常运行遭遇地震。

地质专业提供渠道边坡物理参数如表3所示：

表3　渠道边坡物理参数表

结合渠道渗流计算，在距渠顶5 m处，加4 m戗台，外边坡1:1.50时，渠道在正常运用工况及地震工况下边坡稳定均能满足规范的要求，但在地震工况时，渠道的安全系数仅略大于规范允许值，为保证渠道的安全运行，设计在渠道外边坡据渠顶5 m处设一宽4 m戗台，外边坡为1:1.75，采用和渠堤同一料场的砂砾石填筑。填筑料的物理参数见表3，渠道最高断面处典型剖面填方边坡的计算成果简图见图2～3。图中阴影部分为不稳定体，对应底滑面为最不利滑动面，其中“临界滑面”对应值为最不利滑动面抗滑安全系数。

图3　正常运用工况边坡稳定计算简图

图4　地震工况边坡稳定计算简图

加4 m戗台工况下渠道的边坡稳定计算结果见表4。

表4　渠道边坡安全系数计算结果

由以上分析可以看出，据渠顶5 m处加4 m戗台的设计方案，在外边坡为1:1.50和1:1.75时，安全系数均能达到规范要求。而外边坡取1:1.75时，渠道边坡在各种工况下的边坡稳定计算安全系数均较规范允许值有一定的富余，推荐采用据渠顶5 m处加4 m戗台，外边坡1:1.75的设计方案。

4结语

影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两个方面，内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等；外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。本工程设计阶段运用正确的计算方法，为工程设计收集了全面的数据支撑，同时为边坡处理提供了有利的措施保障，特别是在引水渠道较长时，可以有效降低工程投资成本。

参考文献

[1]陈祖煜.《土质边坡稳定分析程序STAB》[P]，中国水利水电科学研究院.

[2]李晶岩,付丽.边坡稳定性分析方法[J].山西建筑, 2011, 37

(4): 65-66.

（责任编辑：刘青）

收稿日期：2015-12-10

作者简介：孙玉芬（1978-），女，工程师，研究方向为农田水利工程建设与管理。

中图分类号：TV47

文献标志码：A

文章编号：1673-8853（2016）01-0084-02