基于有限元模型分析李金水库除险加固岸坡的稳定性

蒋春宇

(沈阳市文林水土工程设计有限公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程背景

李金水库位于绥中县大王庙镇境内小黄村王宝河支流上，坝址以上河长15.70 km，控制流域面积29.20 km2，河道比降24.10‰。水库是以调洪、灌溉为主，供水、养鱼为辅的小(1)型水库。水库始建于1974年8月，1977年5月竣工。根据原设计方案水库的正常蓄水位为118.0 m，设计库容397.09万m3。水库由大坝、溢洪道、输水洞三部分组成。其中，大坝为黏土心墙砂壳坝、溢洪道为开敞式宽顶堰。

经过多年运行，水库病险问题比较突出，在除险加固之后，水库大坝培厚加高，平均坝高较加固前提高了13.0 m，达到136.5 m，坝顶宽12.5 m，上游面坝坡坡度1∶2.0，下游面坝坡坡度1∶2.5。水库防洪标准由原来的50年一遇提高到200年一遇。库水位也相应抬升12.0 m。设计洪水位130.0 m，校核水位133.5 m，运行水位122.5 m，低水位118.0 m，设计库容量增加至923.54万m3，可以发挥更好的防洪效益和经济效益。由于水库蓄水量的大幅增加，导致库区更多的坡积土和滑坡堆积土被淹没，容易引发现状稳定边坡的失稳破坏，并对水库的正常运行造成一定的危害[1]。因此，研究库区边坡的稳定性，特别是运行过程中水位升降变化对边坡稳定性的影响，应该是工程建设和运行过程中必须要关注和解决的问题。基于此，此次研究利用数值模拟的方式，选择库区典型岸坡进行最不利工况下的稳定性系数计算，为工程设计和后期运行提供必要的参考。

2 有限元计算模型

2.1 有限元模型的构建

Geo-studio是一款优秀的地质工程分析软件，该软件的主要优势是其所有软件都可以在同一环境下运行，用户仅需要构建一个几何模型，即可在所有软件中使用[2]。此外，用户可以在求解区域上定义模型的材料属性和边界条件，而不是在有限元网格上定义，因此可以对几何模型进行随意修改而不会导致先前定义的模型属性丢失[3]。

鉴于滑坡堆积体岸坡、黄土陡坡以及坡积土陡坡在库区分布较为广泛，且比较容易发生滑坡和坍塌破坏[4]。因此，研究中选择上述3种岸坡作为主要研究对象。在模拟计算过程中，每种岸坡选择一个典型断面作为研究断面，各断面的特征如表1所示。

利用Geo-studio软件对3个典型断面进行有限元计算模型的构建。断面A高度约为26 m，坡度0.75。模型构建过程中以水平指向库区方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Y轴正方向，对整个边坡以0.5 m网格进行网格单元剖分，对局部进行加密处理。整个模型划分为2234个网格单元，2023个计算节点。有限元模型示意图如图1所示。按照类似方式构建断面B和断面C的有限元模型，其网格单元数分别为5322个和4867个，节点数分别为4365个和4028个。断面A、断面B、断面C的有限元模型示意图分别如图1、图2和图3所示。

图1 断面A有限元模型示意图

图2 断面B有限元模型示意图

图3 断面C有限元模型示意图

2.2 边界条件和计算参数

根据Geo-studio软件的边界处理原则，研究中将各个边坡的边界条件进行如下设置：边坡远离库区的一侧和底部均为无限远处，设置为不透水边界条件[5]；边坡的顶部和坡面为自由入渗边界条件，为流量边界条件[6]。边坡靠近库区的一侧在库水位以上为零边界处理，使库水淹没的部位能够自由渗入或渗出[7]。

在计算过程中，假设岸坡为均质土体岸坡，坡面光滑。假定土体材料为弹塑性、各向同性材料[8]。岸坡的下层饱和土种类为孔隙水压力变化，上层天然状态的土材料为总应力参数。在库水位升降变化过程中，浸润线以下的土体为饱和土，以上部位为天然状态。土体材料的计算参数如表2所示。

表2 土体材料计算参数

2.3 计算方案

背景工程在除险加固工程完工之后，首先将蓄水位在现状水位抬升12.0 m，在运行过程中需要在高程118.0～130.0 m变化。因此，在研究过程中设计了库水位上升、库水位下降以及库水位波动变化等三种不同的计算工况。其中，库水位上升工况由现状水位118.0 m以2.0 m的间隔逐步抬升至130.0 m高程；库水位下降工况由水位130.0 m高程以2.0 m的间隔逐步下降至118.0 m高程；库水位波动工况为库水位在2.0 m范围内小幅波动变化。根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386—2007)，背景工程岸坡的安全允许值为1.20，研究中通过数值模拟的方式对边坡稳定系数进行计算，并对边坡的稳定性进行评价。

3 计算结果与分析

3.1 库水位上升

利用构建的有限元计算模型，对库水位上升工况不同库水位高度下的3个典型断面稳定系数进行计算，结果如表3所示。由计算结果可知，在118.0 m的现状库水位条件下，滑坡堆积体岸坡(断面A)、黄土陡坡(断面B)以及坡积土陡坡(断面C)的稳定系数分别为1.83、2.13和1.82，均显著高于安全允许值，由此可见，在现状水位条件下，库区上游的土质边坡均处于稳定状态。随着库水位高度的不断升高，各典型断面的稳定系数均呈现出先下降后小幅上升的变化特点。断面A在128.0 m高程稳定系数最小，为1.44；断面B在126.0 m高程稳定系数最小，为1.73；断面C在124.0 m高程稳定系数最小，为1.76，均显著大于稳定系数允许值，说明边坡均处于安全稳定状态。由此可见，库水位在上升过程中，库岸土质边坡的安全稳定性良好，不会发生滑坡、崩坍等地质灾害。

表3 库水位上升工况边坡稳定系数计算结果

3.2 库水位下降

利用构建的有限元计算模型，对库水位下降工况不同库水位高度下的三个典型断面稳定系数进行计算，结果如表4所示。由计算结果可知，在库水位下降过程中，各个断面的稳定系数均呈现出先减小后增大的变化特点。断面A在128.0 m高程的稳定系数最小为1.42；断面B在122.0 m高程的稳定系数最小为1.73；断面C在124.0 m高程的稳定系数最小为1.68。但是，从数值上来看，各断面的稳定系数均显著大于工程允许值，说明上游库岸土质边坡均处于稳定状态，失稳风险较小。

表4 库水位下降工况边坡稳定系数计算结果

3.3 库水位波动变化

利用构建的有限元计算模型，对库水位在不同水位高度下频繁波动变化工况三个典型断面稳定系数进行计算，结果如表5所示。由计算结果可知，库水位频繁升降变化会对边坡稳定系数造成程度不同的影响。从具体计算结果来看，不同水位的边坡稳定系数均有一定程度减小。相对而言，黄土陡坡(断面B)以及坡积土陡坡(断面C)受到的影响较小，稳定系数减小约10%左右。但是，滑坡堆积体边坡(断面A)受到的影响较大，特别是库水位在126.0～128.0 m高程波动变化时的岸坡稳定系数降幅较大，已经低于安全允许值，极易诱发滑坡、崩塌等地质灾害。因此，在工程建设中需要对库区消落带的此类岸坡进行工程技术处理，在后续的工程运行期间，尽量避免库水位在上述高程频繁波动变化。

表5 库水位波动变化工况边坡稳定系数计算结果

4 结 语

此次研究以具体工程为背景，探讨了库水位升降和波动变化对库区土质边坡安全稳定性的影响。结果显示，在水库库水位升降变化过程中，各类型土质岸坡均处于稳定状态。库水位在某一高程的波动变化会对滑坡堆积体岸坡的稳定性造成较大影响，存在失稳破坏的可能性，建议采取工程措施或调度措施。当然，库岸的土质岸坡地质条件十分复杂，影响此类岸坡塌岸的因素众多，难以对其进行精确预测。因此，要使预测结果接近实际情况，还需要进行更多的现场监测和分析，为工程技术和管理措施的选择和使用提供必要的依据。