基于Autobank的深厚覆盖层上面板堆石坝抗滑稳定性分析

2024-01-24杨振亚王正新高剑峰周明明

水利科技与经济 2024年1期

杨振亚,王正新,高剑峰,周明明

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司,南京 210000;2.河海大学水利水电学院,南京 210098;3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司,江苏扬州 225127)

1 概述

相较于混凝土坝,土石坝具备结构简单、可就地取材且对地质条件适应性强等优点,因而在国内水电行业得到广泛应用。由于坝址区地质条件的限制,越来越多的土石坝修建于深厚覆盖层地基上。因此,研究深厚覆盖层上土石坝的抗滑稳定意义重大。

王鹏泉等[1]研究了库水骤降速率对深厚砂卵砾石覆盖层上沥青心墙坝的抗滑稳定性影响。邹德高等[2]对深厚覆盖层上的高土石坝在强震作用下的稳定性进行了深入研究。张园园等[3]针对深厚覆盖层厚度对土石坝坝坡稳定性的影响开展了相关研究。费康等[4]基于三维土石坝有限元模型,研究了深厚覆盖层对土石坝抗滑稳定性的影响。苏星等[5]以苏布雷水电站为例,研究了深厚覆盖层上土石坝坝基渗透变形规律及防渗处理措施。

为了更加深入了解深厚覆盖层上的土石坝抗滑稳定性,本文以国内南方某拟建面板堆石坝为例,基于Autobank软件,通过简化毕肖普法,求解最危险圆弧滑面及相应安全系数,对1#坝和2#坝在多种工况下的稳定性进行分析。

2 计算理论与方法

2.1 渗流计算原理

对于稳定渗流,符合达西定律的非均各向异性二维渗流场,水头势函数满足微分方程[6]:

(1)

式中:φ=φ(x,y)为待求水头势函数;x,y为平面坐标;Kx、Ky为X轴、Y轴方向的渗透系数。

水头φ还必须满足一定的边界条件,经常出现以下几种边界条件:

1)在上游边界上水头已知。

φ=φn

(2)

2)在逸出边界水头和位置高程相等。

φ=z

(3)

3)在某边界上渗流量q已知。

(4)

式中:lx、ly为边界表面向外法线在X、Y 方向的余弦。

将渗流场用有限元离散,假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式,由微分方程及边界条件确定问题的变分形式,可导出线性方程组:

[H]{φ}={F}

(5)

式中:[H]为渗透矩阵;{φ}为渗流场水头;{F}为节点渗流量。

2.2 稳定计算原理

采用简化毕肖普法,进行坝坡稳定安全系数计算[7]:

(6)

式中:Wi为第i滑动条块自重;Qi、Vi分别为作用在第i滑动条块上的外力在水平向和垂直向分力;ui为第i滑动条块底面的孔隙压力;αi为第i滑动条块底滑面的倾角;bi为第i滑动条块宽度;c′、φ′为第i滑动条块底面的有效凝聚力和内摩擦角;MQi为第i滑动条块水平向外力Qi对圆心的力矩;R为圆弧半径;K为安全系数。

3 工程案例

3.1 工程概况

国内某拟建水电站装机容量为1 200MW,工程等别为一等大(Ⅰ)型。上水库正常蓄水位和死水位分别为490、464m。上水库库区存在多个天然垭口,为了形成封闭库区,在每个垭口布置面板堆石坝进行挡水,选取其中最具代表性的两个坝(以下称1#坝和2#坝)进行抗滑稳定性分析。1#坝和2#坝的典型剖面见图1、图2。

图1 1#坝计算典型剖面

图2 2#坝计算典型剖面

由图1、图2可知,坝顶宽度8m,上游坝坡1:1.4,1#坝下游侧筑坝料采用库内开挖的全强风化料,材料参数较低,故1#坝下游坝坡放缓为1:2.5;2#坝下游侧由于地形条件限制,若采用全强风化料,坝坡较缓,坡脚顺地形放出去距离过远,故2#坝下游侧筑坝料采用库内开挖的弱风化料,2#坝下游坝坡为1:1.8。每20m高差设一宽3m马道,大坝大部分建基于全风化层中上部,坝基堆石区下面考虑厚2m排水层及厚1m反滤层,坝顶高程493m,校核洪水位和设计洪水位分别为490.69、490.52m。大坝坝型为面板堆石坝,采取趾板下布置防渗墙、墙下帷幕灌浆的方式,形成封闭的防渗体系。

大坝材料的物理力学特性参数见表1。

表1 大坝材料物理力学参数表

根据《碾压式土石坝设计规范》(NB/T 10872-2021)[8],大坝的渗流稳定计算分析一般有正常运行工况、非常运行工况Ⅰ和非常运行工况Ⅱ,3种具体工况的详细说明如下:

①正常运行工况:考虑坝后无水,坝前水位分别是正常蓄水位(490m)、设计洪水位(490.52m)以及正常蓄水位骤降至死水位(490m→464m)时的坝坡稳定。

②非常运行工况Ⅰ:考虑坝后无水,坝前水位分别为校核洪水位(490.69m)和施工期时(坝前无水)时的坝坡稳定。

③非常运行工况Ⅱ:考虑坝后无水,坝前水位是正常蓄水位(490m)同时发生设计地震(水平向地震波峰值加速度为0.175g)时的坝坡稳定。

3.2 1#坝坝坡稳定性研究

从表2可以看出,在正常运行条件和非常运用条件Ⅰ、Ⅱ工况时,大坝上游侧和下游侧坝坡均满足稳定性要求。其中,在施工期时,大坝的上游侧坝坡安全系数最小,为1.69,高于规范允许值1.30,为上游侧坝坡的控制工况。正常蓄水位+设计地震(0.175g)工况下大坝下游侧坝坡安全系数最小,为1.25,稍大于规范允许值1.20,下游侧坝坡安全裕度较低。建议在施工时对上坝料进行严格控制,防止过多不合格料上坝而导致下游侧坝坡抗滑稳定性不满足规范要求。

表2 1#坝坝体稳定计算成果汇总表

图3为1#坝在各种工况下对应的划弧位置及抗滑安全系数。从图3可以看出,上游侧划弧主要是在混凝土面板附近产生,划弧深度较浅;下游侧划弧主要产生在下游堆石Ⅱ区(全强风化料填筑区),划弧深度较大,主要还是由于下游侧坝料参数较低导致。

图3 1#坝渗流稳定计算成果

3.3 2#坝坝坡稳定性研究

从表3可以看出,在正常运行条件和非常运用条件Ⅰ、Ⅱ工况时,大坝上游侧和下游侧坝坡均满足稳定性要求。其中,在施工期时大坝的上游侧坝坡安全系数最小,为1.67,高于规范允许值1.30,为上游侧坝坡的控制工况。正常蓄水位+设计地震(0.175g)工况下大坝下游侧坝坡安全系数最小,为1.41,高于规范允许值1.20,为下游侧坝坡的控制工况。