下游坡墙组合结构小型土石坝稳定性分析

杨梅桂

(封开县广信堤围养护中心，广东 肇庆 526500)

1 概 述

水坝下游的坡墙结构稳定性直接关系到水坝的健康运行，而目前的稳定性评价方法均存在一定的局限性。近年来，因水库边坡失稳事故造成极大的经济损失，水库加固治理已成为亟待解决的问题[1]。

目前，有些国内外学者采用极限平衡法，对水坝坡体稳定性进行了分析[2-4]。沈宝根等[5]采用Bishop法分析典型斜坡式坡岸的稳定性影响因素，探究了浸润面和坡顶荷载与稳定系数的关系。秦鹏飞[6]基于Morgenstern-Price法，并采用条分法对水坝坡墙结构进行了数值模拟，分析极限平衡法在工程中对刚体结构的折减作用。乔翔[7]结合失稳工程实例，建立经典模型，探究了支护方式和支护位置对开挖边坡稳定性的影响，并提出了合理的支护方案。

本文基于Morgenstern-Price法，采用有限元建模，分析大冲水库坡墙结构稳定性的影响因素，对坝体坡比和挡墙高度与坝高之比进行独立分析，探究对组合结构稳定性影响的主要因素，研究结果可供水库下游结构稳定性安全评价参考与借鉴。

2 工程概况

大冲水库位于广东省肇庆市封开县莲都镇境内，属于贺江流域，位于贯河(贺江支流)上游的东山河上，是一宗以灌溉为主，结合防洪、发电、养殖的综合利用中型水库。该工程集雨面积27.28 km2，多年平均径流深 920.0 mm，多年平均径流量 2 575×104m3。坝址以上干流河长 7.55 km，河流平均坡降为 0.008 7。大冲水库枢纽主要由水库大坝、溢洪道、输水涵管、坝后电站组成，大坝简化后断面图见图1。

对大坝进行加固前，地质勘测结果见表1。

图1 大坝简化后断面图

表1 土体物理力学性能建议参数

3 坡墙整体计算

在工程中，一般将挡土墙与坝体看作一个整体进行受力分析，本文采用极限平衡法对组合结构进行稳定性分析。首先采用条分法将结构进行垂直条分，根据条块间的相互作用关系求解边坡的稳定性问题。常用的分析模型有Morgenstern-Price、Bishop、Spencer、Janbu等。为了便于计算，本文选用有限元软件对坝体结构进行稳定性建模研究。根据坝体自身的地质条件，按照坝体的最大截面进行建模并划分网格，模型见图2。

根据水库的设计标准和实际情况，将表1的大坝地质参数输入至图2的模型中，利用软件的计算模块，在正常水位条件下，对坝体进行渗流分析。然后选用上述4种模型，采用极限平衡法求解坝体的安全系数K的最小值，计算结果见表2。坡墙整体计算后的圆弧滑动面见图3。

图2 大坝几何模型

表2 不同极限平衡法的坡墙整体计算下游坝坡安全系数的计算结果

图3 坡墙整体计算后的圆弧滑动面

由表2数据可知，将挡土墙与坝体看作一个整体进行受力分析，采用极限平衡法对组合结构进行稳定性分析并不可取。挡墙的主要材料为石块，刚性较大，而坝体的材料为填土，刚性小，由于两部分的刚性差距较大，将两部分视为整体进行稳定计算并不合理，计算结果也难以准确表征挡墙的抗剪强度指标。

4 分析方法

4.1 稳定性计算

在进行稳定性计算之前，将挡土墙稳定设计作为结构整体稳定的前提，计算挡土墙顶部及以上的坝体的稳定性，并假设发生滑坡口出现在挡土墙顶。选择不同的坝体滑坡口位置，建立模型时选择不同的边界条件进行边坡的稳定性计算。蓄水位正常时，坝体的稳定性系数计算按照规范进行，具体计算结果见表3。

根据Morgenstern-Price法计算得到，坝体竣工期的安全系数为1.425，运行期的安全系数为1.306，均满足规范要求，计算结果见图4。

表3 不同极限平衡法的坡墙独立计算下游坝坡安全系数的计算结果

图4 坡墙独立计算后的圆弧滑动面

4.2 挡墙稳定计算

根据不同的稳定条件，判断下游坝体的失稳状态。假定最不利条件下坝体发生滑坡时的土体位置，将应力场和渗流场耦合联立，可在软件中计算出坝体基础挡土墙的水平方向应力分布情况；然后根据计算得到的内应力分布情况，推导坝内土体作用于挡土墙的水平推力作用点和力值的大小。根据计算结果，可以推导出挡土墙的抗倾覆稳定系数Ko和抗滑稳定系数Kc，结果见表4。

表4 挡墙抗滑和抗倾覆稳定安全系数

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)[8]中挡土墙的应用级别和要求，土质边坡的挡土墙的抗倾覆和抗滑稳定系数的要求分别不低于1.6和不低于1.3。由表4可知，坝体的边坡挡土墙设计符合抗倾覆的安全标准，但不符合抗滑移的安全标准。由此可见，该水坝的边坡挡土墙面积过小，不足以抵挡边坡发生滑坡时的侧向水平推动力，需要增大挡土墙底部的面积即挡土墙的厚度，来提高其抗滑移稳定性。

分析表4数据可知，结构的整体稳定依赖于边坡自身和挡土墙的稳定性。而整体结构稳定性的主要影响因素是坝体放坡坡比和挡土墙的高度，为了更加清晰地了解上述两个因素对整体结构稳定性的影响，本文针对不同的坝体坡比和挡墙高度进行组合，探究坝体坡比和挡墙高度对整体结构稳定性的影响规律。

5 组合结构稳定性影响因素分析

将坝体坡比和挡墙高度与坝高之比进行独立分析，探究对组合结构的稳定性影响。为了便于研究和试验现象的描述，本文在满足结构整体稳定性的前提下，采用降低投资和工程加固度的方式设置坝体高度为固定值20 m，设置坝体坡比分别为2.75、2.5、2，采用Morgenstern-Price法探究不同的挡墙高与坝高比对结构整体稳定性的影响，设计并计算挡墙高h与坝高H之比分别为0.5、0.45、0.4、0.35、0.3以及0.25的坡体安全系数。在计算之前，需要一些限定条件，将挡土墙稳定设计作为结构整体稳定的前提，计算挡土墙顶部及以上的坝体稳定性，并假设发生滑坡口出现在挡土墙顶。选择不同的坝体滑坡口位置，建立模型时，选择不同的边界条件进行边坡的稳定性计算。将应力场和渗流场耦合联立，可在软件中计算出坝体基础挡土墙的水平方向应力分布情况，然后根据计算得到的内应力分布情况，推导坝内土体作用于挡土墙的水平推力作用点和力值的大小。根据计算结果，可以推导出挡土墙的抗倾覆稳定系数Ko和抗滑稳定系数Kc，结果见表5。

表5 不同坡比、墙高对应的安全系数

表5为18种不同工况组合情况下的下游坝体稳定性系数变化情况。根据规范要求，表5对每一种工况的挡土墙抗倾稳定系数和和覆抗滑稳定系数进行了评价。由表5可知，在18种组合工况中，有5种组合的挡土墙抗倾稳定系数和覆抗滑稳定系数以及整体稳定性系数符合规范要求。通过比较拟合计算的结果可知，组合结构的整体稳定性主要受挡墙高度与坝高之比和坝体坡比这两个因素的影响。但组合结构的稳定安全系数不符合规范要求时，单个调整坝体坡比或挡墙高度与坝高之比，均不能在考虑经济的前提下使整体结构的稳定性满足要求。因此，在设计组合结构时，要充分考虑坝体坡比和挡墙高度与坝高之比这两个因素产生的综合作用。图5为两个主要因素对下游坝体安全系数的影响规律。

图5 安全系数与n关系曲线

从图5可以看出，坝体坡比为2、挡墙高度与坝高之比为0.25 时，下游坝坡稳定性不符合要求。坝体坡比为2，挡墙高度与坝高之比为0.3～0.5；坝体坡比为2.5，挡墙高度与坝高之比为0.35～0.5；坝体坡比为2.75，挡墙高度与坝高之比为0.4～0.5时，挡墙抗滑稳定性不符合要求。坝体坡比为2.5，挡墙高度与坝高之比为0.25、0.3；坝体坡比为2.75，挡墙高度与坝高之比为0.25、0.3、0.35时，安全系数与稳定系数均符合要求。在符合要求的前提下，下游坝坡坡比为2.5或2.75时，坝体安全系数变化曲线与挡墙抗滑稳定变化曲线与挡墙高度与坝高之比为0.3～0.33处相交，曲线的交点被视为坝体坡比设计和挡墙高度与坝高之比设计的最优加固方案。

6 结 论

1) 挡墙的主要材料为石块，刚性较大，而坝体的材料为填土，刚性小。由于两部分的刚性差距较大，将两部分视为整体进行稳定计算时并不合理性，计算结果也难以准确表征挡墙的抗剪强度指标。

2) 独立分析坝体坡比和挡墙高度与坝高之比，可以更好地探究影响组合结构稳定性的因素。

3) 在符合要求的前提下，坝体安全系数变化曲线与挡墙抗滑稳定变化曲线的交点，可被视为坝体坡比设计和挡墙高度与坝高之比设计的最优加固方案。