郝中州 蘇茂榮 陳志軍

(1.河南黃河河務局，河南 鄭州 450002；2.河南華北水利水電勘察設計有限公司，河南 鄭州 450045)

1 引 言

在水利水電工程施工過程中，圍堰是為保證主體工程施工而修建的臨時性建筑物[1]。圍堰的安全穩(wěn)定，不僅關系到整個施工導流工程和主體工程的安全和施工進度，甚至影響到下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全[2]。對于平原地區(qū)大江大河上的水利水電工程，施工圍堰多修建在常年沖刷淤積的灘地或河床上，在深厚軟弱地基上填筑圍堰所面臨的技術難度要比常規(guī)土石圍堰大得多[3]，圍堰的填筑條件和運行條件更為復雜：圍堰的填筑多為在原始地基上直接水下拋填，無法提前進行地基處理，承載力較差，且水下拋填體密實度差，后期容易產(chǎn)生較大的沉降變形[4]；圍堰運行時，要面臨施工期工況、基坑開挖工況、汛期洪水工況等復雜的外部環(huán)境，運行條件更為復雜[5]。對于軟弱基礎上的高土石圍堰，面臨著地基條件差、填筑材料就近取材難、填筑質量低等問題，堰體參數(shù)、圍堰高度、邊坡坡比、圍堰基礎、防滲體等諸多因素都會影響高土石圍堰的安全穩(wěn)定[6]。采用AutoBank軟件，能夠很好地模擬土石壩或者土石圍堰的滲流穩(wěn)定[7]和邊坡穩(wěn)定[8]情況。本文結合碾盤山水利樞紐工程，基于AutoBank有限元軟件，分析高土石圍堰邊坡穩(wěn)定影響因素，并在碾盤山施工圍堰穩(wěn)定計算中進行應用。

2 AutoBank簡介

AutoBank有限元計算軟件是河海大學開發(fā)的，針對土石壩、堤防、圍堰等建筑物進行滲流和邊坡穩(wěn)定計算分析的軟件。該軟件遵照現(xiàn)行《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274—2020)[9]和《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)[10]有關穩(wěn)定安全計算的若干規(guī)定，用有限元方法進行土石壩、面板堆石壩、堤防、一般土質邊坡、尾礦壩的穩(wěn)定計算，能夠考慮圓弧、非圓弧、軟弱夾層滑動面、上部荷載、非線性砂性土質等復雜情況。該軟件可通過導入地層及建筑物文件建立有限元模型，基于滲流計算模塊和邊坡穩(wěn)定模塊，實現(xiàn)滲流、變形、應力、穩(wěn)定計算一體化[11]。

3 土石圍堰邊坡穩(wěn)定影響分析

本文基于AutoBank軟件，建立土石圍堰有限元模型，導入地層地質及力學參數(shù)，進行滲流和邊坡穩(wěn)定計算，通過控制單個變量，逐步分析高土石圍堰邊坡穩(wěn)定的影響因素。

3.1 堰體參數(shù)

對于土石圍堰，堰體填筑材料的物理力學參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)是影響圍堰邊坡穩(wěn)定的首要因素。對于砂性土，由于缺少黏粒，黏聚力較小，而對于黏性土，則黏聚力較大。為了研究黏聚力和內(nèi)摩擦角對圍堰穩(wěn)定的影響，采用控制變量法，分別模擬不同力學參數(shù)下的圍堰穩(wěn)定情況。

基于AutoBank軟件建立土石圍堰模型，圍堰高度為10m，堰前水位為96.0m，對應的水頭為6m，通過修改堰體填筑材料的物理力學參數(shù)對比邊坡穩(wěn)定計算結果。堰體填筑材料物理力學參數(shù)見表1，其中材料1代表粉細砂，材料2代表黏性土，材料3代表粗砂。三種材料邊坡穩(wěn)定計算結果如圖1所示。

表1 堰體材料物理力學參數(shù)

根據(jù)計算結果，對于粉細砂圍堰，黏聚力c為0，在滲流作用下，邊坡極易失穩(wěn)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為0.65；對于黏性土圍堰，黏聚力c為10kPa，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)增大至1.85[見圖1(b)1.85274]，可以看出黏聚力c對圍堰穩(wěn)定具有極大的影響；對于粗砂圍堰，黏聚力c為0，內(nèi)摩擦角φ增大至35°時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)比粉細砂圍堰有一定的提升，由0.65增大至0.81。

圖1 不同堰體參數(shù)下邊坡穩(wěn)定計算結果

通過以上分析可以看出，堰體填筑材料的物理力學參數(shù)對圍堰的滲流穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定有較大影響。一般情況下，黏性土圍堰的穩(wěn)定性要優(yōu)于砂性土(粉細砂或粗砂)圍堰，而內(nèi)摩擦角較大的粗砂要優(yōu)于粉細砂。

3.2 邊坡坡比

對于松散的無黏性土，當其自然堆積時能夠形成的自然坡角，就是天然休止角。天然休止角一般略小于滑坡開始滑動的滑動角，而且比同一物質的內(nèi)摩擦角小5°～10°。當采用砂性土填筑圍堰時，圍堰的邊坡坡比對圍堰的穩(wěn)定有較大影響。采用控制變量的方法，保持堰體材料不變，采用AutoBank軟件分別建立邊坡坡比為1 ∶2、1 ∶2.5、1 ∶3的圍堰模型，研究邊坡坡比對圍堰穩(wěn)定的影響情況，計算結果如圖2所示。

圖2 不同邊坡坡比下邊坡穩(wěn)定計算結果

計算結果顯示，當邊坡坡比逐漸增大時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大，其中臨水側安全系數(shù)分別為1.09、1.34、1.59，背水側出溢點附近邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為0.53、0.67、0.83?？梢钥闯?，邊坡坡比對圍堰穩(wěn)定有較大影響，適當增大邊坡坡比可以提高圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，但是對應的圍堰填筑工程量也會增大。

3.3 圍堰高度

當圍堰的高度超過10m時，一般認為屬于高大圍堰。圍堰越高，邊坡的危險性越大，出現(xiàn)問題時的危害也越大。圍堰超過一定高度時，就需要做二級馬道，以提高圍堰的安全性。為了研究圍堰高度對圍堰穩(wěn)定性的影響，采用控制變量法，建立兩個模型，圍堰高度分別為10m和5m，其中10m高圍堰堰前水頭控制為6m，5m高圍堰堰前水頭控制為3m，采用AutoBank軟件進行計算，結果如圖3所示。

圖3 不同圍堰高度下邊坡穩(wěn)定計算結果

計算結果顯示，當圍堰高度從5m增大到10m時，臨水側安全系數(shù)有輕微降低，背水側出溢點附近安全系數(shù)有較大降低，從0.91降低至0.67。可以看出，圍堰高度對邊坡穩(wěn)定的影響較大，當圍堰超過一定規(guī)模時，要特別注意安全穩(wěn)定問題。

3.4 圍堰基礎

圍堰的安全不僅與堰體本身的穩(wěn)定有關，也與圍堰基礎的穩(wěn)定有很大關系。當堰體基礎條件較差時，圍堰就容易出現(xiàn)深層滑動，引發(fā)堰體的滑坡。為研究軟弱基礎的圍堰穩(wěn)定問題，采用控制變量法，建立4個模型，分別模擬10m高圍堰在淤泥質土基礎、粉細砂基礎、黏土基礎以及巖石基礎條件下的穩(wěn)定情況，相關材料的物理力學參數(shù)見表2。采用AutoBank軟件進行邊坡穩(wěn)定計算，計算結果如圖4所示。

表2 材料物理力學參數(shù)

圖4 不同基礎下邊坡穩(wěn)定計算結果

計算結果顯示，在圍堰填筑材料、邊坡坡比、高度等條件保持一致的情況下，圍堰基礎對邊坡的穩(wěn)定有較大影響：淤泥質土基礎條件最差，承載能力最低，圍堰邊坡容易出現(xiàn)深層滑動，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最低；粉細砂基礎的黏聚力為0.1(應與表2一致)，但是內(nèi)摩擦角較大，承載能力相對較高，邊坡滑動同樣為穿過粉細砂基礎的深層滑動，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.23；黏土基礎的黏聚力較大，承載能力有較大增強，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到1.42；巖石基礎的強度高，承載能力遠大于圍堰材料，邊坡滑動面在堰體內(nèi)部，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取決于堰體材料，穩(wěn)定安全系數(shù)也最高，達到1.60?？梢钥闯?，圍堰的基礎條件對邊坡穩(wěn)定有較大影響，軟弱基礎條件下的圍堰最容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)破壞。

3.5 防滲體

土石圍堰要承擔擋水任務，圍堰堰體及堰體基礎的滲透特性對于圍堰的安全至關重要。由于圍堰多采用當?shù)夭牧咸钪?，堰體的防滲體也有多種：均質、黏土心墻、混凝土墻等。對于圍堰基礎條件不好的情況，比如滲透性較大的粉細砂基礎、砂礫石基礎等情況，就必須要采用有效的防滲體，以降低圍堰的滲透性，保證圍堰的安全穩(wěn)定。為了研究防滲體對圍堰的安全穩(wěn)定影響，同樣采用控制變量法進行研究，建立圍堰模型，圍堰基礎為滲透性較強的粉細砂基礎，基坑開挖至粉細砂基礎，防滲體分別采用均質、黏土心墻、混凝土墻等。采用AutoBank軟件進行滲流穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定計算，計算結果如圖5所示。

圖5 不同防滲體下邊坡穩(wěn)定計算結果

計算結果顯示，圍堰基礎條件對于圍堰的滲流穩(wěn)定非常重要。對于粉細砂基礎，均質防滲體和黏土心墻防滲體無法與底部不透水層基巖相接，無法形成封閉的防滲體，當基坑開挖較深時，背水側在滲流作用下就會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的情況，同時圍堰的單寬滲流量較大，且主要從基礎進行滲流，圍堰最危險的區(qū)域在溢出點周圍。采用防滲墻防滲體(黏土心墻或混凝土墻)時，其與底部不透水層形成封閉防滲體，可以極大地降低堰體的浸潤線，降低單寬滲流量，從而提高圍堰的穩(wěn)定安全系數(shù)。當采用混凝土墻防滲體時，圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)從0.64提高至1.14。對于基礎滲透性較大的圍堰，采用防滲措施對圍堰的邊坡穩(wěn)定至關重要。

3.6 排水措施

圍堰填筑后，由于巖體本身的滲透性，會在堰體內(nèi)部形成一條浸潤線，浸潤線以下為飽和狀態(tài)。為保證圍堰的穩(wěn)定，常用的工程技術手段是改變圍堰浸潤線溢出點位置的排水條件。工程中常用的手段包括貼坡排水、褥墊排水、棱體排水等。為研究排水措施對浸潤線以及堰體穩(wěn)定的影響，同樣采用控制變量法建立圍堰模型，其中溢出點位置分別為無排水體、貼坡排水和棱體排水，排水體采用透水性較強的卵礫石材料。采用AutoBank軟件進行有限元計算，計算結果如圖6所示。

圖6 不同排水體下邊坡穩(wěn)定計算結果

計算結果顯示，排水體可以改善溢出點的滲透特性，其中貼坡排水和無排水體的浸潤線比較接近，而棱體排水可以顯著降低浸潤線的位置。貼坡排水措施對溢出點滲水進行反濾后，能夠提高堰體坡腳的滲透穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)管涌和流土等滲透破壞。貼坡排水和棱體排水均能改善圍堰坡腳的滲流狀況，提高圍堰邊坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù)從1.35分別提高至1.40和1.42。

4 工程案例

碾盤山水利樞紐工程位于漢江中游河段的鐘祥市境內(nèi)，水庫正常蓄水位50.72m，總庫容9.02億m3，電站總裝機18萬kW，年發(fā)電量6.16億kW·h。該工程采用圍堰一次攔斷河床、左岸開挖導流明渠過流的方式進行施工導流。其中，上游圍堰長808m，堰頂高程51.85m，堰頂寬10m，臨水側坡比為1 ∶3.0，背水側坡比為1 ∶2.5，圍堰設二級馬道。根據(jù)施工期工程地質揭露情況，基礎地層由上至下依次為砂壤土、粉細砂、砂礫石和砂巖?；A透水性較強，采用塑性混凝土防滲墻接復合土工膜防滲，背水側坡腳為截流戧堤固腳。

根據(jù)地質資料和圍堰結構，采用AutoBank軟件建立有限元模型，分別進行滲流和邊坡穩(wěn)定計算，計算結果如圖7所示。根據(jù)計算結果，臨水側邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.63，背水側邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20，均大于規(guī)范要求，圍堰的設計較為合理。

圖7 碾盤山樞紐上游圍堰邊坡穩(wěn)定計算結果

5 結 論

本文基于有限元軟件AutoBank對影響圍堰邊坡穩(wěn)定的因素進行了研究，模擬不同的堰體參數(shù)、邊坡坡比、圍堰高度、圍堰基礎、防滲體以及排水措施等條件下圍堰的邊坡穩(wěn)定情況。經(jīng)過分析，得出以下結論：

a.圍堰填筑料的物理力學參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ是影響圍堰邊坡穩(wěn)定的首要因素，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ越大，圍堰的穩(wěn)定性越好。在采用當?shù)夭牧咸钪邥r，優(yōu)先采用黏性土，其次采用內(nèi)摩擦角大的礫石土，最不利的材料是有一定滲透性的砂性土。

b.圍堰邊坡坡比、高度是影響圍堰穩(wěn)定的重要因素，降低邊坡坡比和圍堰高度均可以提高圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；當圍堰超過一定高度時，要設分級馬道，同時降低邊坡坡比。

c.圍堰的基礎條件也會影響邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)：淤泥質土基礎的承載能力差，粉細砂基礎容易出現(xiàn)深層滑動，不同的基礎條件要采用不同的處理措施。

d.防滲體可以改善圍堰的滲透特性，對于透水性基礎，采用混凝土墻防滲體可以降低浸潤線，減小滲流量，提高圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

e.圍堰背水側的排水體可以改善出逸點的滲流特性，棱體排水可以降低浸潤線位置，提高邊坡穩(wěn)定性，貼坡排水可以起到反濾作用。