張紅良

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 和田市 848000)

1 工程概況

薩爾布拉克河位于霍城縣東部，是霍城北山溝水系中靠東部的一條較大河流，上游山區(qū)降水充沛，多年平均徑流量2.053億m3，具有水利開發(fā)的有利自然資源條件。

圖1 研究區(qū)位置概況圖

壩址位于薩爾布拉克河中游段黃土丘陵區(qū)，兩岸山體拔河高度>100m，河道較為順直，河谷寬闊，呈“U”型，一般寬150-300m，漫灘及河心灘發(fā)育，河水面寬20-60m，水深0.5-1.2m，河流縱坡降10-15‰，河水位高程967-980m。左岸岸坡大部為坡積粉質(zhì)壤土覆蓋，自然坡度約35-45°，局部在坡腳有高約10-15m的近直立陡坎，左岸主要發(fā)育有兩條沖溝，間距600m，一般溝底寬5-8m，切割深度20-50m，延伸長(zhǎng)度0.5-1.5km；右岸岸坡主要為風(fēng)積黃土層，僅在坡腳處見有上更新統(tǒng)冰水沉積(Q2)砂卵礫石出露，自然坡度較緩，約30°左右，岸坡順坡向發(fā)育四條沖溝，間距100-270m，一般溝底寬5-15m，切割深度20-30m，延伸長(zhǎng)度0.5-1.0不等，溝與梁相間，梁頂坡度平緩，沖溝兩側(cè)及臨河岸坡相對(duì)較陡。

2 研究方法

2.1 模擬軟件

Geo-Studio系統(tǒng)軟件是針對(duì)不同區(qū)域模型的分布情況而做出一個(gè)整體全面的分析軟件。其中該系統(tǒng)一共有八種不同的模塊，以應(yīng)對(duì)不同的工程狀況。具體分別為：Slope/w模塊為邊坡穩(wěn)定性分析軟件；Sigma/w模塊為巖土應(yīng)變分析軟件；Quake/w模塊為地震模擬分析軟件；Temp/w模塊為地?zé)岱治鲕浖籗eep/w模塊為地下水滲流模擬分析軟件；Air/w模塊為空氣流動(dòng)模擬分析軟件。戰(zhàn)備溝壩體滲流與穩(wěn)定性分析主要是通過Geo-Studio軟件中的seep/w模塊和slope/w模塊進(jìn)行有限元模擬計(jì)算得出的。根據(jù)模擬的計(jì)算結(jié)果球的出壩體滲流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用這個(gè)結(jié)果疊加求解出左右壩坡的最小安全系數(shù)以及可能出現(xiàn)滑動(dòng)面的位置，最終給予合理的建議[1]。

2.2 滲流模型的建立

大壩位置擬定在撒爾布拉克河中游段的位置，由于該項(xiàng)目處于初步設(shè)計(jì)階段，因此目前暫定為瀝青混凝土心墻砂礫石壩。本次模型的建立以及參數(shù)的選取也僅僅根據(jù)初步設(shè)計(jì)勘察階段所提供的數(shù)據(jù)資料。圖2為壩址區(qū)工程地質(zhì)圖。

圖2 壩址區(qū)工程地質(zhì)圖

首先打開Geo-Studio 軟件，選擇 seep/w模塊，建立工作平面選擇合適的比例，繪制坐標(biāo)軸以及一些小的參數(shù)設(shè)定[2]。接著將AutoCAD中的大壩橫剖面圖導(dǎo)入到軟件中，設(shè)置好分區(qū)，圖 3 是已經(jīng)完成的大壩模型。

圖3 大壩模型

根據(jù)現(xiàn)有資料，將壩體分為八個(gè)區(qū)塊，分別為導(dǎo)流圍堰填筑區(qū)，砂礫石填筑區(qū)，堆石填筑區(qū)，砂卵礫石層(Q4al+pl)，礫巖(Q1fgl)，泥巖(Q1al+pl)，瀝青混凝土心墻以及防滲帷幕。具體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)是根據(jù)勘察報(bào)告的實(shí)驗(yàn)結(jié)果參考得來，見表1。

表1 體分區(qū)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

完成網(wǎng)格劃分工作之后開始設(shè)置邊界條件，具體操作如下：

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》上的要求，在對(duì)于大壩進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候應(yīng)考慮各種不利因素，分不同的工況進(jìn)行分別討論求解[3]。但結(jié)合實(shí)際情況，加上手里的資料有限，并沒有實(shí)際監(jiān)測(cè)的水文數(shù)據(jù)，因此決定只選擇兩種穩(wěn)態(tài)情況作滲流分析，分別為工況(1)左岸壩坡正常蓄水位1024.7m與右岸壩坡最低水位即地下水水位977.5m，工況(2)左岸壩坡校核洪水位1026.54m與右岸壩坡最低水位即地下水水位977.5m。

整個(gè)模型絕對(duì)高程，其中邊界按照第一類邊界條件考慮，也就是按水頭邊界條件。左岸壩坡正常蓄水位高程 1024.7m，右岸壩坡最低水位為地下水水位977.5m，由于底側(cè)為弱風(fēng)化不透水巖層，不影響計(jì)算，所以本次未賦予邊界條件。接著將邊界條件賦值到模型的邊界處，至此大壩建模以及參數(shù)的設(shè)置全部完成，圖 4 為設(shè)置好的大壩滲流模型分析，左岸藍(lán)色和右岸紅色為水頭邊界線。

圖4 大壩滲流模型

2.3 壩體穩(wěn)定模型建立

壩體穩(wěn)定模型的建立是基于Geo-Studio中的slope/w模塊，由于文章篇幅的限制，詳細(xì)的步驟和滲流模型建立相類似，這里只是簡(jiǎn)單的介紹，具體步驟如下[4]：

首先打開之前 seep/w 的計(jì)算結(jié)果，該軟件可以根據(jù)滲流及計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到壩坡穩(wěn)定分心中，大大減少了工作量。分析選項(xiàng)選擇 slope/w 中的極限平衡，將不同區(qū)域物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)賦值到各個(gè)區(qū)域內(nèi)。接著修改滑動(dòng)面選項(xiàng)信息，用戶可以根據(jù)自己的要求，定義滑動(dòng)面滑動(dòng)方向，還可以利用系統(tǒng)自帶的算法自動(dòng)搜素可能滑動(dòng)面。在這里需要強(qiáng)調(diào) slope/w 模塊中可以根據(jù)不同情況選擇不同的滑移面定義方法，其次對(duì)于不同的邊坡軟件可以自動(dòng)分析搜索可能的滑移面以及最小安全系數(shù)的查找。文章所用的是利用系統(tǒng)自帶的算法自動(dòng)搜尋滑動(dòng)面區(qū)域。通過窮舉法思想，模擬出所有可能出現(xiàn)滑動(dòng)面的情況，并根據(jù)這些情況自動(dòng)求接觸安全系數(shù)。最后一步檢查模型設(shè)置參數(shù)，至此壩體穩(wěn)定模型建立完成[5]。

3 壩體滲流模型計(jì)算與結(jié)果分析

根據(jù) Geo-Studio 軟件 seep/w 模塊模擬的結(jié)果見圖5-圖8。

圖5 工況1正常蓄水位滲流圖

圖6 工況1正常蓄水位孔隙水壓力圖

圖7 工況2校核洪水位滲流圖

圖8 工況2校核洪水位孔隙水壓力圖

通過軟件模擬計(jì)算得出，在正常蓄水位工況下，大壩主壩軸線位置處的單寬滲流量為3.765×102m3·d，出逸比降為0.319%；在校核洪水位工況下，大壩主壩軸線位置處的單寬滲流量為3.22×102m3·d，出逸比降為0.291%。

結(jié)合各個(gè)工況的滲流看出，在工況1正常蓄水位的條件下，單寬滲流流量和出逸比降相對(duì)較高，說明處于不同水位對(duì)壩體的滲流影響較大；其次從圖中浸潤(rùn)線可以看出，正常蓄水條件下的浸潤(rùn)線要高于校核洪水位的，且下游浸潤(rùn)線與壩腳線相交。由此可以看出滲流的路徑位于坡腳附近，且壩身并不需要加強(qiáng)防滲措施，大壩的設(shè)計(jì)相對(duì)科學(xué)可靠，但需要注意的是在坡腳處需設(shè)置合理的排水溝，以便水庫(kù)在正常工作下可以將滲流及時(shí)排除，減小工程隱患。另外根據(jù)相關(guān)規(guī)范出逸比降并未超過臨界破壞值的范圍，因此可以判定不會(huì)發(fā)生類似的滲透變形破壞。

4 壩體穩(wěn)定性分析

根據(jù)Geo-Studio軟件slope/w模塊模擬的結(jié)果如圖9-圖12所示。

圖9 工況1左岸壩坡模擬結(jié)果圖

圖10 工況1右岸壩坡模擬結(jié)果圖

圖11 工況2左岸壩坡模擬結(jié)果圖

圖12 工況2右岸壩坡模擬結(jié)果圖

由模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，在工況1的情況下上游壩坡和下游壩坡的最小安全系數(shù)分別為2.772和2.282，在工況2的條件下上游壩坡和下游壩坡的最小安全系數(shù)分別為2.893和2.352。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中所規(guī)定的安全數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均在規(guī)范規(guī)定允許范圍內(nèi)，壩坡安全穩(wěn)定，壩型設(shè)計(jì)方案較為合理。

其次在對(duì)比上下游安全系數(shù)可以看出上游安全系數(shù)要略大于下游的安全系數(shù)。因?yàn)樯嫌卧谛钏蛘咚蛔兓^程中水流，浪擊不斷作用壩坡，所有適當(dāng)提高左岸的安全系數(shù)也比較符合實(shí)際情況。從上述圖中看出，可能出現(xiàn)的滑移面一般出現(xiàn)在壩體的中上部位置，所以對(duì)于該位置可以做適當(dāng)?shù)募庸烫幚怼?/p>

5 結(jié) 論

介紹了新疆戰(zhàn)備溝水庫(kù)大壩在兩種不同工況下(正常蓄水工況和校核洪水位工況)壩體的滲流規(guī)律以及穩(wěn)定性分析。首先分別介紹壩坡基本理論以及壩坡穩(wěn)定性分析方法。使用GeoStudio 系統(tǒng)軟件中Seep/w模塊和Slope/w 模塊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)大壩建模分析求解。最終求出壩體滲流場(chǎng)的分布情況，浸潤(rùn)線以及孔隙水壓力分布特征以及最小安全系數(shù)。對(duì)比得出大壩安全系數(shù)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)時(shí)的要求，說明該方案科學(xué)可行。