蔣春宇

(沈陽市文林水土工程設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

李金水庫位于綏中縣大王廟鎮(zhèn)境內(nèi)小黃村王寶河支流上，壩址以上河長15.70 km，控制流域面積29.20 km2，河道比降24.10‰。水庫是以調(diào)洪、灌溉為主，供水、養(yǎng)魚為輔的小(1)型水庫。水庫始建于1974年8月，1977年5月竣工。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案水庫的正常蓄水位為118.0 m，設(shè)計(jì)庫容397.09萬m3。水庫由大壩、溢洪道、輸水洞三部分組成。其中，大壩為黏土心墻砂殼壩、溢洪道為開敞式寬頂堰。

經(jīng)過多年運(yùn)行，水庫病險(xiǎn)問題比較突出，在除險(xiǎn)加固之后，水庫大壩培厚加高，平均壩高較加固前提高了13.0 m，達(dá)到136.5 m，壩頂寬12.5 m，上游面壩坡坡度1∶2.0，下游面壩坡坡度1∶2.5。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)由原來的50年一遇提高到200年一遇。庫水位也相應(yīng)抬升12.0 m。設(shè)計(jì)洪水位130.0 m，校核水位133.5 m，運(yùn)行水位122.5 m，低水位118.0 m，設(shè)計(jì)庫容量增加至923.54萬m3，可以發(fā)揮更好的防洪效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于水庫蓄水量的大幅增加，導(dǎo)致庫區(qū)更多的坡積土和滑坡堆積土被淹沒，容易引發(fā)現(xiàn)狀穩(wěn)定邊坡的失穩(wěn)破壞，并對水庫的正常運(yùn)行造成一定的危害[1]。因此，研究庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定性，特別是運(yùn)行過程中水位升降變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，應(yīng)該是工程建設(shè)和運(yùn)行過程中必須要關(guān)注和解決的問題?；诖耍舜窝芯坷脭?shù)值模擬的方式，選擇庫區(qū)典型岸坡進(jìn)行最不利工況下的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算，為工程設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行提供必要的參考。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

Geo-studio是一款優(yōu)秀的地質(zhì)工程分析軟件，該軟件的主要優(yōu)勢是其所有軟件都可以在同一環(huán)境下運(yùn)行，用戶僅需要構(gòu)建一個幾何模型，即可在所有軟件中使用[2]。此外，用戶可以在求解區(qū)域上定義模型的材料屬性和邊界條件，而不是在有限元網(wǎng)格上定義，因此可以對幾何模型進(jìn)行隨意修改而不會導(dǎo)致先前定義的模型屬性丟失[3]。

鑒于滑坡堆積體岸坡、黃土陡坡以及坡積土陡坡在庫區(qū)分布較為廣泛，且比較容易發(fā)生滑坡和坍塌破壞[4]。因此，研究中選擇上述3種岸坡作為主要研究對象。在模擬計(jì)算過程中，每種岸坡選擇一個典型斷面作為研究斷面，各斷面的特征如表1所示。

利用Geo-studio軟件對3個典型斷面進(jìn)行有限元計(jì)算模型的構(gòu)建。斷面A高度約為26 m，坡度0.75。模型構(gòu)建過程中以水平指向庫區(qū)方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閅軸正方向，對整個邊坡以0.5 m網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格單元剖分，對局部進(jìn)行加密處理。整個模型劃分為2234個網(wǎng)格單元，2023個計(jì)算節(jié)點(diǎn)。有限元模型示意圖如圖1所示。按照類似方式構(gòu)建斷面B和斷面C的有限元模型，其網(wǎng)格單元數(shù)分別為5322個和4867個，節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4365個和4028個。斷面A、斷面B、斷面C的有限元模型示意圖分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 斷面A有限元模型示意圖

圖2 斷面B有限元模型示意圖

圖3 斷面C有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

根據(jù)Geo-studio軟件的邊界處理原則，研究中將各個邊坡的邊界條件進(jìn)行如下設(shè)置：邊坡遠(yuǎn)離庫區(qū)的一側(cè)和底部均為無限遠(yuǎn)處，設(shè)置為不透水邊界條件[5]；邊坡的頂部和坡面為自由入滲邊界條件，為流量邊界條件[6]。邊坡靠近庫區(qū)的一側(cè)在庫水位以上為零邊界處理，使庫水淹沒的部位能夠自由滲入或滲出[7]。

在計(jì)算過程中，假設(shè)岸坡為均質(zhì)土體岸坡，坡面光滑。假定土體材料為彈塑性、各向同性材料[8]。岸坡的下層飽和土種類為孔隙水壓力變化，上層天然狀態(tài)的土材料為總應(yīng)力參數(shù)。在庫水位升降變化過程中，浸潤線以下的土體為飽和土，以上部位為天然狀態(tài)。土體材料的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 土體材料計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

背景工程在除險(xiǎn)加固工程完工之后，首先將蓄水位在現(xiàn)狀水位抬升12.0 m，在運(yùn)行過程中需要在高程118.0～130.0 m變化。因此，在研究過程中設(shè)計(jì)了庫水位上升、庫水位下降以及庫水位波動變化等三種不同的計(jì)算工況。其中，庫水位上升工況由現(xiàn)狀水位118.0 m以2.0 m的間隔逐步抬升至130.0 m高程；庫水位下降工況由水位130.0 m高程以2.0 m的間隔逐步下降至118.0 m高程；庫水位波動工況為庫水位在2.0 m范圍內(nèi)小幅波動變化。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 386—2007)，背景工程岸坡的安全允許值為1.20，研究中通過數(shù)值模擬的方式對邊坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 庫水位上升

利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對庫水位上升工況不同庫水位高度下的3個典型斷面穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在118.0 m的現(xiàn)狀庫水位條件下，滑坡堆積體岸坡(斷面A)、黃土陡坡(斷面B)以及坡積土陡坡(斷面C)的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.83、2.13和1.82，均顯著高于安全允許值，由此可見，在現(xiàn)狀水位條件下，庫區(qū)上游的土質(zhì)邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著庫水位高度的不斷升高，各典型斷面的穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)出先下降后小幅上升的變化特點(diǎn)。斷面A在128.0 m高程穩(wěn)定系數(shù)最小，為1.44；斷面B在126.0 m高程穩(wěn)定系數(shù)最小，為1.73；斷面C在124.0 m高程穩(wěn)定系數(shù)最小，為1.76，均顯著大于穩(wěn)定系數(shù)允許值，說明邊坡均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，庫水位在上升過程中，庫岸土質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定性良好，不會發(fā)生滑坡、崩坍等地質(zhì)災(zāi)害。

表3 庫水位上升工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 庫水位下降

利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對庫水位下降工況不同庫水位高度下的三個典型斷面穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在庫水位下降過程中，各個斷面的穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點(diǎn)。斷面A在128.0 m高程的穩(wěn)定系數(shù)最小為1.42；斷面B在122.0 m高程的穩(wěn)定系數(shù)最小為1.73；斷面C在124.0 m高程的穩(wěn)定系數(shù)最小為1.68。但是，從數(shù)值上來看，各斷面的穩(wěn)定系數(shù)均顯著大于工程允許值，說明上游庫岸土質(zhì)邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較小。

表4 庫水位下降工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3 庫水位波動變化

利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對庫水位在不同水位高度下頻繁波動變化工況三個典型斷面穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。由計(jì)算結(jié)果可知，庫水位頻繁升降變化會對邊坡穩(wěn)定系數(shù)造成程度不同的影響。從具體計(jì)算結(jié)果來看，不同水位的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均有一定程度減小。相對而言，黃土陡坡(斷面B)以及坡積土陡坡(斷面C)受到的影響較小，穩(wěn)定系數(shù)減小約10%左右。但是，滑坡堆積體邊坡(斷面A)受到的影響較大，特別是庫水位在126.0～128.0 m高程波動變化時(shí)的岸坡穩(wěn)定系數(shù)降幅較大，已經(jīng)低于安全允許值，極易誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。因此，在工程建設(shè)中需要對庫區(qū)消落帶的此類岸坡進(jìn)行工程技術(shù)處理，在后續(xù)的工程運(yùn)行期間，盡量避免庫水位在上述高程頻繁波動變化。

表5 庫水位波動變化工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

此次研究以具體工程為背景，探討了庫水位升降和波動變化對庫區(qū)土質(zhì)邊坡安全穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示，在水庫庫水位升降變化過程中，各類型土質(zhì)岸坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。庫水位在某一高程的波動變化會對滑坡堆積體岸坡的穩(wěn)定性造成較大影響，存在失穩(wěn)破壞的可能性，建議采取工程措施或調(diào)度措施。當(dāng)然，庫岸的土質(zhì)岸坡地質(zhì)條件十分復(fù)雜，影響此類岸坡塌岸的因素眾多，難以對其進(jìn)行精確預(yù)測。因此，要使預(yù)測結(jié)果接近實(shí)際情況，還需要進(jìn)行更多的現(xiàn)場監(jiān)測和分析，為工程技術(shù)和管理措施的選擇和使用提供必要的依據(jù)。