基于动水边界条件下的黏土斜心墙坝坡稳定性探究

向宏荣，周 勇，关 峰

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2．湖北水总水利水电建设股份有限公司, 湖北 武汉 430034)

坝坡稳定分析是确定坝剖面和评价坝体安全的主要依据，其可靠程度对坝的经济性和安全性具有重要影响[1]。对于水利工程而言，坝坡稳定是一个多学科交叉和多研究手段的复杂课题，涉及结构工程、材料学、工程地质学、流体力学等多方面相互关联问题[2]。事实上，坝坡稳定是一个受自身物质条件和外部环境条件影响的复杂地质系统，涉及岩土力学性质、降雨、库水位的升降变化等多方面因素[3]。目前，探究影响库岸边坡稳定的因素诸多，然而，探究坝坡稳定的影响因素研究则相对偏少。

近年来，不少学者对水库边坡处于有水情况下的稳定性进行研究，并得到相应的研究成果。例如，王欢[4]探究了库水位变化对坝坡稳定性的影响，发现库水位变化时会对下游坝坡稳定性造成较大影响；辛保泉[5]研究了降雨入渗条件下基质吸力对坝坡稳定性影响，研究结果表明，降雨随着土体含水率的增加，坝坡稳定性逐渐降低；此外，乔娟等[6]研究了黏土斜心墙土石坝稳定性影响因素，探究坝高和黏土斜心墙高对坝坡稳定的影响，论证了坝高对上游坝坡稳定的影响相对较大，是影响上游坝坡稳定的关键因素。以上分别就库水位变化、基质吸力以及静水条件下影响坝坡稳定性的因素展开研究。然而，考虑动水条件下的坝高与坝坡稳定性规律研究相对较少，因此有必要对动水边界条件下的黏土斜心墙坝坝高对坝坡稳定性影响规律展开研究。

针对上述研究中存在不足，本文以某具体工程实例为研究对象，针对动水边界条件下的黏土斜心墙三种坝高进行抗滑稳定性系数计算，开展黏土斜心墙坝坝高与坝坡稳定性影响规律探究，为大坝在动水边界条件下的坝坡稳定性提供科学指导，提高坝坡整体稳定性。

1 研究资料

1.1 研究对象

本文依托某黏土斜心墙土石坝展开动水边界条件下的坝高与坝坡稳定性规律研究。根据实际工程资料，结合《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)[7]对该工程进行分等、分级，为探究动水边界条件下的黏土斜心墙坝高与坝坡稳定性影响，本文设计了3种不同的坝高。结合《碾压土石坝设计规范》(SL 274—2001)[8]，取正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位三种计算工况下的最大计算坝高作为设计坝高。通过计算分析，校核洪水位工况下的计算坝高值最大，因此，以校核洪水位下的计算坝高作为其坝高的设计值。3种不同的坝高具体剖面设计如表1所示，以坝高45.3 m、95.7 m、146.2 m为例。

表1 3种不同坝高的剖面设计

1.2 计算工况与安全系数的选取

为探究动水边界条件下的黏土斜心墙坝高与坝坡稳定性影响规律，以校核洪水位的情况为例设计了3种不同坝高的剖面进行研究。由于本工程属于1级工程，且其所在地的基本地震烈度为Ⅳ级，因而不需要考虑地震作用。结合实际情况，本工程的坝高与坝坡稳定性影响规律主要考虑稳定渗流期、水库水位降落[9-10]时，具体考虑工况如下：

稳定渗流期校核两种工况下的上、下游坝坡稳定：(1)上游为正常蓄水位或设计洪水位，下游为相应水位，属正常运用条件。(2)上游为校核洪水位，下游为相应水位，属非常运用条件。

水库水位降落期校核两种工况下的上、下游坝坡稳定：(1)上游为正常蓄水或设计洪水位突然放空时，属正常运用条件。(2)上游为校核洪水位突然放空时，属非常运用条件。

表2 坝坡抗滑稳定安全系数

1.3 材料参数

坝体不同分区的材料物理力学以及基岩强度参数指标主要包括内摩擦角、容重、有效黏聚力等，它是由现场大体积密度试验、大剪试验及室内剪切试验获得，具体材料参数如表3所示。

表3 坝体不同分区材料参数

2 坝坡稳定性分析计算模型及方法

2.1 计算方法

极限平衡法在边坡稳定性分析中应用十分广泛，对多余变量假定的不同构成了不同的极限平衡条分法[11]。目前工程上采用的土坡稳定分析的方法，大多数是建立在极限平衡理论基础之上的。计算采用Geo-Studio2007分析软件中的Slope/w模块进行稳定场的模拟，三种坝高在满足稳定渗流条件下，进行动水边界条件下的坝坡稳定分析，并结合Slope/w模块以极限平衡理论中的Morgenstern-Prince(简称M-P法)[12-13]分析法进行边坡稳定性的抗滑安全稳定系数计算。

2.2 计算假定

经现场踏勘发现，可能存在潜在滑移面。根据边坡地质条件及滑动破坏特征，采用GEO-Slope/w程序的Morgenstern-Price法建立计算模型。Morgenstern-Price法可对任意形状的滑裂面进行分析，故作如下假设[14]：(1)假定滑裂面为任意形状，且两滑动土条的法向条间力和切向条间力之间存在关于水平方向坐标的函数关系。(2)每个土条均与土坡具有相同的稳定系数，当土坡处于稳定状态时，任一土条在滑动面上的抗剪力只发挥了一部分，并与此时的滑动力相平衡。(3)以滑动土条底部法向力和平行方向力以及土条底部中心点的力矩平衡建立力学方程。

2.3 坝坡稳定性分析计算模型

Geo-Studio[15]是一套专业、高效且功能强大的适用于岩土工程、水利工程、地质工程以及公路工程等相关领域开发的仿真分析软件，它包含Seep/w、Slope/w、Sigma/w、Quake/w等一系列的有限元分析模块。本文采用Slope/w模块建立数值模型来探究动水边界条件下坝高与坝坡稳定性之间的关系，数值建模具体步骤：(1)设置坐标轴及比例、输入坐标控制点。(2)建立模型以及网格划分、输入材料参数以及定义本构关系。(3)输入边界条件，计算求解。

在进行稳定分析之前，首先要对坝体剖面不同分区材料进行材料填充，以其中45.3 m的坝高为例进行材料填充，定义边界条件，如图1所示。

图1 稳定分析模型示意图

3 结果分析

3.1 稳定渗流期计算结果分析

采用极限平衡法分别计算稳定渗流期上下游坝坡抗滑稳定安全系数，计算见图2、图3。

图2 各工况下不同坝高的上游坝坡抗滑稳定安全系数

图3 各工况下不同坝高的下游坝坡抗滑稳定安全系数

在稳定渗流期，三种坝高在三种不同工况下，其最小安全系数均大于规范规定值，说明三种不同坝高剖面设计满足稳定渗流要求。上、下游坝坡抗滑安全系数随着坝高的增加而增大，并且上游坝坡抗滑稳定安全系数大于下游。说明安全系数与坝高有关，上游坝坡比下游更加稳定。

3.2 水库水位降落期计算结果分析

通过Slope/w建模计算，计算不同坝高三种工况下1 d、3 d、5 d、7 d水库放空时，上、下游坝坡最小安全系数，具体数据见图4～图7。

图4 1 d放空条件下，各工况下不同坝高坝坡抗滑稳定性安全系数

图5 3 d放空条件下，各工况下不同坝高坝坡抗滑稳定性安全系数

图6 5 d放空条件下，各工况下不同坝高坝坡抗滑稳定性安全系数

图7 7 d放空条件下，各工况下不同坝高坝坡抗滑稳定性安全系数

图4～图7分别为1 d、3 d、5 d、7 d放空条件下，三种坝坡在各工况下的抗滑稳定性安全系数：

(1)当坝高为45.3 m，根据图4～图6数据可以看出，水库自水位降落1 d、3 d、5 d放空(持续30 d)情况下，上、下游坝坡最小安全系数小于规范规定值，说明大坝有可能在第1 d、3 d、5 d泄水放空时候失稳，这对大坝运行管理十分不利；根据图7数据，水库在第7 d泄水放空时，上、下游坝坡最小安全系数大于规范规定值，因而在第7天泄水放空时候，水库是安全的。

(2)当坝高为95.7 m以及146.2 m，1 d、3 d、5 d、7 d放空，上、下游坝坡最小安全系数均大于规范规定值，说明此时放空天数对上、下游坝坡失稳影响不大，但为了安全以及运行管理方便，还是建议7 d放空对大坝进行检修维护。

(3)当水库处于水位降落期时，上游坝坡抗滑稳定安全系数总是小于下游坝坡抗滑稳定安全系数，上游坡脚稳定性不够，此时发生滑坡的可能性很大，这是因为上游坝坡的表层在孔隙水压力及应力场作用下，很快达到饱和，此时坝坡的基质吸力减小，基质吸力的减小会造成土体抗剪强度的减弱，进而影响坝体安全，极其容易形成滑坡[16]。

4 结 语

本文根据极限平衡法，通过Slope/w建模计算三种坝高在不同工况下抗滑稳定安全系数，得出如下结论：

(1)三种不同高度的坝，在动水边界条件下黏土斜心墙坝坝坡抗滑系数随坝高的增大而增大。

(2)在稳定渗流期，上游抗滑系数大于下游，但是在水位降落期，下游抗滑系数大于上游。

(3)水库水位降落期，水库放空1 d、3 d、5 d，低坝上游坝坡抗滑系数比下游坝坡抗滑系数小并且小于规范规定值，此时极易失稳，存在较大局部滑动的可能性。因此，该坝上游坡在放空期存在更为严重的安全隐患，应进行加固处理，确保大坝的安全运行，应加厚坡体，增强坝体的稳定性，以保证大坝的安全和工程效益的正常发挥。