基于AutoBank分析高土石围堰边坡稳定影响因素

郝中州 苏茂荣 陈志军

(1.河南黄河河务局，河南 郑州 450002；2.河南华北水利水电勘察设计有限公司，河南 郑州 450045)

1 引 言

在水利水电工程施工过程中，围堰是为保证主体工程施工而修建的临时性建筑物[1]。围堰的安全稳定，不仅关系到整个施工导流工程和主体工程的安全和施工进度，甚至影响到下游人民群众的生命财产安全[2]。对于平原地区大江大河上的水利水电工程，施工围堰多修建在常年冲刷淤积的滩地或河床上，在深厚软弱地基上填筑围堰所面临的技术难度要比常规土石围堰大得多[3]，围堰的填筑条件和运行条件更为复杂：围堰的填筑多为在原始地基上直接水下抛填，无法提前进行地基处理，承载力较差，且水下抛填体密实度差，后期容易产生较大的沉降变形[4]；围堰运行时，要面临施工期工况、基坑开挖工况、汛期洪水工况等复杂的外部环境，运行条件更为复杂[5]。对于软弱基础上的高土石围堰，面临着地基条件差、填筑材料就近取材难、填筑质量低等问题，堰体参数、围堰高度、边坡坡比、围堰基础、防渗体等诸多因素都会影响高土石围堰的安全稳定[6]。采用AutoBank软件，能够很好地模拟土石坝或者土石围堰的渗流稳定[7]和边坡稳定[8]情况。本文结合碾盘山水利枢纽工程，基于AutoBank有限元软件，分析高土石围堰边坡稳定影响因素，并在碾盘山施工围堰稳定计算中进行应用。

2 AutoBank简介

AutoBank有限元计算软件是河海大学开发的，针对土石坝、堤防、围堰等建筑物进行渗流和边坡稳定计算分析的软件。该软件遵照现行《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)[9]和《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[10]有关稳定安全计算的若干规定，用有限元方法进行土石坝、面板堆石坝、堤防、一般土质边坡、尾矿坝的稳定计算，能够考虑圆弧、非圆弧、软弱夹层滑动面、上部荷载、非线性砂性土质等复杂情况。该软件可通过导入地层及建筑物文件建立有限元模型，基于渗流计算模块和边坡稳定模块，实现渗流、变形、应力、稳定计算一体化[11]。

3 土石围堰边坡稳定影响分析

本文基于AutoBank软件，建立土石围堰有限元模型，导入地层地质及力学参数，进行渗流和边坡稳定计算，通过控制单个变量，逐步分析高土石围堰边坡稳定的影响因素。

3.1 堰体参数

对于土石围堰，堰体填筑材料的物理力学参数(黏聚力c和内摩擦角φ)是影响围堰边坡稳定的首要因素。对于砂性土，由于缺少黏粒，黏聚力较小，而对于黏性土，则黏聚力较大。为了研究黏聚力和内摩擦角对围堰稳定的影响，采用控制变量法，分别模拟不同力学参数下的围堰稳定情况。

基于AutoBank软件建立土石围堰模型，围堰高度为10m，堰前水位为96.0m，对应的水头为6m，通过修改堰体填筑材料的物理力学参数对比边坡稳定计算结果。堰体填筑材料物理力学参数见表1，其中材料1代表粉细砂，材料2代表黏性土，材料3代表粗砂。三种材料边坡稳定计算结果如图1所示。

表1 堰体材料物理力学参数

根据计算结果，对于粉细砂围堰，黏聚力c为0，在渗流作用下，边坡极易失稳，边坡稳定安全系数最小，为0.65；对于黏性土围堰，黏聚力c为10kPa，边坡稳定安全系数增大至1.85[见图1(b)1.85274]，可以看出黏聚力c对围堰稳定具有极大的影响；对于粗砂围堰，黏聚力c为0，内摩擦角φ增大至35°时，边坡稳定安全系数比粉细砂围堰有一定的提升，由0.65增大至0.81。

图1 不同堰体参数下边坡稳定计算结果

通过以上分析可以看出，堰体填筑材料的物理力学参数对围堰的渗流稳定和边坡稳定有较大影响。一般情况下，黏性土围堰的稳定性要优于砂性土(粉细砂或粗砂)围堰，而内摩擦角较大的粗砂要优于粉细砂。

3.2 边坡坡比

对于松散的无黏性土，当其自然堆积时能够形成的自然坡角，就是天然休止角。天然休止角一般略小于滑坡开始滑动的滑动角，而且比同一物质的内摩擦角小5°～10°。当采用砂性土填筑围堰时，围堰的边坡坡比对围堰的稳定有较大影响。采用控制变量的方法，保持堰体材料不变，采用AutoBank软件分别建立边坡坡比为1 ∶2、1 ∶2.5、1 ∶3的围堰模型，研究边坡坡比对围堰稳定的影响情况，计算结果如图2所示。

图2 不同边坡坡比下边坡稳定计算结果

计算结果显示，当边坡坡比逐渐增大时，边坡稳定安全系数逐渐增大，其中临水侧安全系数分别为1.09、1.34、1.59，背水侧出溢点附近边坡稳定安全系数分别为0.53、0.67、0.83。可以看出，边坡坡比对围堰稳定有较大影响，适当增大边坡坡比可以提高围堰的边坡稳定安全系数，但是对应的围堰填筑工程量也会增大。

3.3 围堰高度

当围堰的高度超过10m时，一般认为属于高大围堰。围堰越高，边坡的危险性越大，出现问题时的危害也越大。围堰超过一定高度时，就需要做二级马道，以提高围堰的安全性。为了研究围堰高度对围堰稳定性的影响，采用控制变量法，建立两个模型，围堰高度分别为10m和5m，其中10m高围堰堰前水头控制为6m，5m高围堰堰前水头控制为3m，采用AutoBank软件进行计算，结果如图3所示。

图3 不同围堰高度下边坡稳定计算结果

计算结果显示，当围堰高度从5m增大到10m时，临水侧安全系数有轻微降低，背水侧出溢点附近安全系数有较大降低，从0.91降低至0.67。可以看出，围堰高度对边坡稳定的影响较大，当围堰超过一定规模时，要特别注意安全稳定问题。

3.4 围堰基础

围堰的安全不仅与堰体本身的稳定有关，也与围堰基础的稳定有很大关系。当堰体基础条件较差时，围堰就容易出现深层滑动，引发堰体的滑坡。为研究软弱基础的围堰稳定问题，采用控制变量法，建立4个模型，分别模拟10m高围堰在淤泥质土基础、粉细砂基础、黏土基础以及岩石基础条件下的稳定情况，相关材料的物理力学参数见表2。采用AutoBank软件进行边坡稳定计算，计算结果如图4所示。

表2 材料物理力学参数

图4 不同基础下边坡稳定计算结果

计算结果显示，在围堰填筑材料、边坡坡比、高度等条件保持一致的情况下，围堰基础对边坡的稳定有较大影响：淤泥质土基础条件最差，承载能力最低，围堰边坡容易出现深层滑动，边坡稳定安全系数最低；粉细砂基础的黏聚力为0.1(应与表2一致)，但是内摩擦角较大，承载能力相对较高，边坡滑动同样为穿过粉细砂基础的深层滑动，边坡稳定安全系数为1.23；黏土基础的黏聚力较大，承载能力有较大增强，边坡稳定安全系数达到1.42；岩石基础的强度高，承载能力远大于围堰材料，边坡滑动面在堰体内部，边坡稳定安全系数取决于堰体材料，稳定安全系数也最高，达到1.60。可以看出，围堰的基础条件对边坡稳定有较大影响，软弱基础条件下的围堰最容易出现边坡失稳破坏。

3.5 防渗体

土石围堰要承担挡水任务，围堰堰体及堰体基础的渗透特性对于围堰的安全至关重要。由于围堰多采用当地材料填筑，堰体的防渗体也有多种：均质、黏土心墙、混凝土墙等。对于围堰基础条件不好的情况，比如渗透性较大的粉细砂基础、砂砾石基础等情况，就必须要采用有效的防渗体，以降低围堰的渗透性，保证围堰的安全稳定。为了研究防渗体对围堰的安全稳定影响，同样采用控制变量法进行研究，建立围堰模型，围堰基础为渗透性较强的粉细砂基础，基坑开挖至粉细砂基础，防渗体分别采用均质、黏土心墙、混凝土墙等。采用AutoBank软件进行渗流稳定和边坡稳定计算，计算结果如图5所示。

图5 不同防渗体下边坡稳定计算结果

计算结果显示，围堰基础条件对于围堰的渗流稳定非常重要。对于粉细砂基础，均质防渗体和黏土心墙防渗体无法与底部不透水层基岩相接，无法形成封闭的防渗体，当基坑开挖较深时，背水侧在渗流作用下就会出现边坡失稳的情况，同时围堰的单宽渗流量较大，且主要从基础进行渗流，围堰最危险的区域在溢出点周围。采用防渗墙防渗体(黏土心墙或混凝土墙)时，其与底部不透水层形成封闭防渗体，可以极大地降低堰体的浸润线，降低单宽渗流量，从而提高围堰的稳定安全系数。当采用混凝土墙防渗体时，围堰稳定安全系数从0.64提高至1.14。对于基础渗透性较大的围堰，采用防渗措施对围堰的边坡稳定至关重要。

3.6 排水措施

围堰填筑后，由于岩体本身的渗透性，会在堰体内部形成一条浸润线，浸润线以下为饱和状态。为保证围堰的稳定，常用的工程技术手段是改变围堰浸润线溢出点位置的排水条件。工程中常用的手段包括贴坡排水、褥垫排水、棱体排水等。为研究排水措施对浸润线以及堰体稳定的影响，同样采用控制变量法建立围堰模型，其中溢出点位置分别为无排水体、贴坡排水和棱体排水，排水体采用透水性较强的卵砾石材料。采用AutoBank软件进行有限元计算，计算结果如图6所示。

图6 不同排水体下边坡稳定计算结果

计算结果显示，排水体可以改善溢出点的渗透特性，其中贴坡排水和无排水体的浸润线比较接近，而棱体排水可以显著降低浸润线的位置。贴坡排水措施对溢出点渗水进行反滤后，能够提高堰体坡脚的渗透稳定性，防止出现管涌和流土等渗透破坏。贴坡排水和棱体排水均能改善围堰坡脚的渗流状况，提高围堰边坡的稳定性，安全系数从1.35分别提高至1.40和1.42。

4 工程案例

碾盘山水利枢纽工程位于汉江中游河段的钟祥市境内，水库正常蓄水位50.72m，总库容9.02亿m3，电站总装机18万kW，年发电量6.16亿kW·h。该工程采用围堰一次拦断河床、左岸开挖导流明渠过流的方式进行施工导流。其中，上游围堰长808m，堰顶高程51.85m，堰顶宽10m，临水侧坡比为1 ∶3.0，背水侧坡比为1 ∶2.5，围堰设二级马道。根据施工期工程地质揭露情况，基础地层由上至下依次为砂壤土、粉细砂、砂砾石和砂岩。基础透水性较强，采用塑性混凝土防渗墙接复合土工膜防渗，背水侧坡脚为截流戗堤固脚。

根据地质资料和围堰结构，采用AutoBank软件建立有限元模型，分别进行渗流和边坡稳定计算，计算结果如图7所示。根据计算结果，临水侧边坡稳定安全系数为1.63，背水侧边坡稳定安全系数为1.20，均大于规范要求，围堰的设计较为合理。

图7 碾盘山枢纽上游围堰边坡稳定计算结果

5 结 论

本文基于有限元软件AutoBank对影响围堰边坡稳定的因素进行了研究，模拟不同的堰体参数、边坡坡比、围堰高度、围堰基础、防渗体以及排水措施等条件下围堰的边坡稳定情况。经过分析，得出以下结论：

a.围堰填筑料的物理力学参数黏聚力c和内摩擦角φ是影响围堰边坡稳定的首要因素，黏聚力c和内摩擦角φ越大，围堰的稳定性越好。在采用当地材料填筑围堰时，优先采用黏性土，其次采用内摩擦角大的砾石土，最不利的材料是有一定渗透性的砂性土。

b.围堰边坡坡比、高度是影响围堰稳定的重要因素，降低边坡坡比和围堰高度均可以提高围堰的边坡稳定安全系数；当围堰超过一定高度时，要设分级马道，同时降低边坡坡比。

c.围堰的基础条件也会影响边坡稳定安全系数：淤泥质土基础的承载能力差，粉细砂基础容易出现深层滑动，不同的基础条件要采用不同的处理措施。

d.防渗体可以改善围堰的渗透特性，对于透水性基础，采用混凝土墙防渗体可以降低浸润线，减小渗流量，提高围堰的边坡稳定安全系数。

e.围堰背水侧的排水体可以改善出逸点的渗流特性，棱体排水可以降低浸润线位置，提高边坡稳定性，贴坡排水可以起到反滤作用。