基于GeoStudio软件的土石坝稳定设计

唐 帅

(山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013)

在土石坝中，土质心墙防渗体是常有防渗结构。土石坝挡水后，在坝体内形成渗流，饱和区内土石料承受上浮力，减轻了抵抗滑动的有效重量，浸水后作用在坝上的荷载和土石料的抗剪强度都将发生变化，故在施工期、稳定渗流期、水库水位降落期及地震等不同时期，渗流力可能引起管涌、流土等渗流破坏，也可对坝坡形成不利作用，引起坝边坡失稳。土石坝的渗流稳定及坝坡稳定是实际工程中值得思考的问题。

1 工程概况

水库等别为Ⅲ等，包括溢洪道、土石坝和放水洞，溢洪道进水渠底板顶高程17.20m，土石坝为壤土心墙砂壳坝，工程级别3级，坝顶长400m，坝顶宽7.0m，坝顶高程29.80m，最大坝高20m。防浪墙顶高程30.80m，高1.5m，厚0.5m。上游坝坡在高程19.00m处设2.0m宽戗台，戗台以上坡比1∶2.5，以下为1∶2.75；坝脚设堆石压重体，顶高程14.0m，顶宽10.0m，边坡1∶3.0；下游坝坡在高程20.00m处设2.0m宽戗台，戗台以上坡比1∶2.5，以下为1∶2.75；心墙顶高程29.10m，顶宽2.0m，上下游坡比1∶0.4。上游坝坡为干砌块石护坡，下游坝坡为草皮护坡，坝后设纵横向排水沟，坝脚设贴坡排水。坝基砂采用混凝土防渗墙防渗(0+180.0～0+340.0)，底高程-4.0m，平均深度13.0m，确定压重平台高程16.00m，上游平台宽25m，下游平台宽10m，采用弃渣料填筑，压重平台设干砌块石护面。土石坝从上游到下游分别由上游护坡、碎石、反滤层、细砂、含砂壤土心墙、细砂、下游草皮护坡组成，坝基从上到下分别由①粗砂、淤泥质中细砂;②粗砂，黑云斜长片麻岩组成，坝基粗砂允许渗流坡降建议值为0.15，地震设防烈度7度，土石坝的典型横断面如图1所示。

图1 某土石坝典型横断面图

2 土石坝设计

2.1 土石坝渗流及渗透稳定计算

计算渗流量时，土的渗透系数采用大值平均值，计算水位降落时采用小值平均值，渗流及渗透稳定计算采用GeoStudio有限元软件的Seep/w分析模块来进行分析，结合实际情况，选取0+100断面作为典型断面进行计算，对以上断面分别建立二维有限元模型进行计算，计算工况如下：

(1)上游正常蓄水位25.43m，相应下游水位10.0m

(2)上游设计洪水位27.95m，相应下游水位10.0m

(3)上游校核洪水位28.84m，相应下游水位平地面11.0m

(4)库水位自设计洪水位(27.95m)降落至死水位(15.03m)。

上述工况计算结果见表1，0+200不同水位下渗流等势线及浸润线如图2—3。

表1 土石坝渗流计算成果表

图2 0+200断面正常蓄水位及设计洪水位渗流等势线及浸润线图

图3 0+200断面校核洪水位及水位降落期渗流等势线及浸润线图

根据地质结论，坝基砂允许水力比降建议值0.15。由表1可知，土石坝渗透稳定性满足要求。

2.2 坝坡稳定计算

根据SL 274—2020《辗压式土石坝设计规范》的规定，对所有工况均采用有效应力法；对竣工期及库水位降落期同时采用总应力法，以较小的安全系数为准。根据地质勘探和室内试验成果，结合原设计及竣工资料，选定坝体各土料的物理力学性指标。粘性土、坝壳砂及坝基砂的容重选用试验平均值；粘性土抗剪强度指标大于11组时采用小值平均值，小于11组时采用建议值，无粘性土抗剪强度指标均采用建议值。计算方法采用计及条间力的简化毕肖普法，计算软件采用加拿大GeoStudio软件的分析模块Slope/w，坝基及坝体物理力学计算选用指标表见表2。

结合实际情况，选取0+200断面作为典型断面进行计算。

(1)正常运用条件

①库水位为正常蓄水位(25.43m)和相应下游水位(10.00m)时的上、下游坝坡稳定；

②库水位为设计洪水位(27.95m)和相应下游水位(10.00m)时的上、下游坝坡稳定；

③库水位自设计洪水位(27.95m)降落至死水位(15.03m)时的上游坝坡稳定。

(2)非常运用条件

①库水位为校核洪水位(28.84m)和相应下游水位时的上、下游坝坡稳定；

②库水位自校核洪水位(28.84m)降落至进水渠底板顶(17.20m)时的上游坝坡稳定；

③正常运用条件②+地震；④施工期。

土石坝坝坡抗滑稳定安全系数计算成果详见表3，不同水位下最危险滑弧位置见图4—9。

表3 土石坝坝坡抗滑稳定安全系数计算成果表

图4 0+200断面正常蓄水位上下游坡最危险滑弧位置图

图5 0+200断面设计洪水位上下游坡最危险滑弧位置图

图6 0+200断面设计洪水位降落到死水位及校核洪水位降到进水渠底板上游坡最危险滑弧位置图

图7 0+200断面校核洪水位上下游坡最危险滑弧位置图

图8 0+200断面设计洪水位+地震上下游坡最危险滑弧位置图

图9 0+200断面施工期上下游坡最危险滑弧位置图

由表看出，计算断面各种工况下安全系数均大于规范允许值，满足设计要求。

3 结论

(1)土石坝渗透和坝坡稳定分析可使用GeoStudio软件中的Seep/w和Slope/w分析模块，其应用已相当成熟，计算结果可靠，软件建模过程物理指标的选取要有据可依。

(2)水力坡降大于允许水力坡降，安全稳定系数大于规范允许值，可认为土石坝渗流稳定和边坡稳定，选取的筑坝土石料的种类、坝的结构型式以及各种土石料在坝体内的配置基本合理。

(3)本文对土石坝渗流和坝坡稳定设计具有参考价值，但只局限于此，在土石坝设计中，要根据土石料的物理、力学性能选择坝体各部分的填筑压实标准，达到经济技术上的可行性和合理性。