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标题 坝顶通车对库中坝坝坡稳定性的影响
范文 王涛+张宏伟+刘健+曹智+邱珍锋

摘要：基于极限平衡法的静力分析方法，考虑线性强度指标，以重庆市天仙湖库中坝为例，分析了坝顶通车与否，上下游坝坡在正常运用与水位骤降工况下的稳定性。分析表明，坝顶通车时上下游坝坡安全系数比不通车时小，即坝顶通车对坝坡稳定性存在一定影响，但影响较小。且坝顶通车对上游坝坡稳定性的影响较大。就滑弧而言，坝顶通车时坝坡滑弧穿过灌浆区与盖重。对于库中坝，上下游水位对坝坡稳定性的影响是显著的，必须同时考虑上下游坝坡的稳定性。
关键词：库中坝；坝顶通车；坝坡稳定；水位骤降
中图分类号：TV641.4文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0196-03
Influence of vehicle load on dam crest to stability of dam slope in other reservoir
WANG Tao1，ZHANG Hong-wei2，LIU Jian1，CAO Zhi2，QIU Zhen-feng2
（1.Chongqing Surveying and Design Institute of Water Resources，Electric Power and Architecture，Chongqing 400020，China；
2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）
Abstract：Based on the limit equilibrium method on the static analysis，the dam in the three gorges reservoir located in Tianxian Lake in Chongqing municipality was analyzed to confirm the stability of slope in upstream and downstream with vehicle load or not，also including normal operation and rapid drawdown condition，and considering the linear strength index.By comparing，the safety factor of the dam slope with vehicle load on dam crest is lower than it of the dam slope without vehicle load.In other words，vehicle load on dam crest has influence on the stability of slope，but the influence is less.And vehicle load on dam crest has greater influence on the stability of upstream dam slope.As for the slip circle，they under vehicle load on dam crest thread the grouting area and seepage berms.For the dam in other reservoir，the water levels have important influence on the stability of slope in upstream and downstream，and the stability of the upstream and downstream dam mast both be considered.
Key words：the dam in other reservoir；vehicle load on dam crest；the stability of the dam slope；rapid drawdown
随着我国高坝的修筑与城市景观的需要，一些坝体成为了库中坝。由于库中坝的特殊位置，故其须在自身水库蓄水情况下，保证下游水库蓄水时坝体的安全性，并可能出现倒灌现象。
坝坡稳定分析是土石坝设计与安全评估的重要依据[1]。混凝土面板堆石坝属于土石坝范畴，一般可不进行稳定分析[2]，但是对已修面板堆石坝面板出现严重的毁坏进行坝坡稳定性分析必不可少。坝顶通车情况是很多已建大坝面临的问题，水库大坝坝顶作为车辆行驶的重要公路，会对大坝工程安全造成一定程度的不良影响[3]，相关研究表明速度引起的变化幅值要小于载重引起的变化幅值[4-5]，坝坡稳定性分析时，可以只考虑静荷载，而忽略车速，使分析简化为静力抗滑稳定性分析。
刚体极限平衡方法是工程上应用最为广泛和最为成熟的坝坡稳定分析计算方法。瑞典圆弧法与简化毕肖普法问
世至今，接受了众多工程检验，表明随着线性指标分析土石坝的稳定安全系数工程经验的大量积累，其计算结果与实际的大坝的安全度比较成果是可信的，可以保证大坝的安全[6]。
本文以重庆天仙湖面板堆石坝工程为例，采用河海大学岩土所SLP程序，考虑线性强度指标，以瑞典条分法与简化毕肖普法定量求解各方案坝坡安全系数，评价了坝顶通车与否对该堆石库中坝在各种运用情况下的坝坡静力抗滑稳定性，并给出一定的建议，以期对类似工程问题的分析工作提供借鉴作用。
1工程概况
重庆万州区天仙湖面板堆石坝位于三峡库区中，成为了库中坝。其设计洪水位为173.67 m，死水位为152.00 m，下游为三峡库区最高水位为173.60 m，最低水位为143.30 m。由于保证三峡库区的运行，天仙湖面板堆石坝下游最高水位高程高于灌浆帷幕顶的高程，出现倒灌现象。
现计划在天仙湖面板堆石坝顶通车以满足交通需。其设计功能主要是拦砂，没有考虑到交通情况。同时天仙湖面板堆石坝的面板出现严重的毁坏，并做了一次灌浆处理（灌浆孔双排布置，排拒2 m，孔距1.5 m。），故需做坝顶通车情况时上下游坝坡的稳定分析，以确定坝顶通车的可行性问题。
2计算与分析
2.1计算断面
由于天仙湖面板堆石坝上游面板出现严重毁坏，所以计算断面不考虑面板，而将灌浆帷幕作为该坝的唯一防渗体，计算断面采用坝体的最大横断面，按坝体结构要求，将其分为10个区域。根据王俊杰[7]等提出的边坡简化方法，将坝体剖面简化，见图1。
2.2计算参数
（1）材料参数。
计算用线性强度参数进行，线性强度是指抗剪强度与法向应力之间呈直线关系，因而可以用强度指标c和来计算抗剪强度。计算所需筑坝料的参数通过对参数反演得到。各筑坝材料的计算参数见表1。
图1计算断面
表1坝体材料物理力学线性参数
对于水位延长线以下的土体，其容重取为浮容重。在水位骤降情况下，骤降区间以上的土体采用天然容重，骤降区间以下的土体采用浮容重，骤降区间的土体采用饱和容重进行计算。在天然容重的基础上加0.2 kN/m3即为饱和容重值。对于黏聚力及内摩擦角的取值则不做改变，即不考虑水对土体强度的影响。
（2）车辆荷载参数。
在忽略车速对坝坡稳定性的影响后，将坝顶通车荷载简化为静荷载。由于混凝土路面强度比坝体其他材料参数高出许多，故坝顶受车辆荷载作用下，坝体变形比路面大。根据Saint-Venant原理，车辆荷载可看作为作用在坝顶的均布荷载。坝顶在均布静荷载的作用，其最危险的荷载分布情况为沿着坝顶公路布满荷载，对于二维情况，则是在坝顶公路沿着横断面方向布满均布静荷载。
依据《公路工程技术标准》（JTG B01-2003），该坝顶公路定为二级公路。公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5 kN/m；集中荷载标准值pk按以下规定选取：桥涵计算跨径小于或等于5 m时，pk=180 kN。公路-Ⅱ级车道荷载的均布荷载标准值qk和集中荷载标准值pk为公路-Ⅰ级车道荷载的0.75倍。将集中荷载pk均分布到8 m宽的坝顶路面，叠加车道荷载的均布荷载标准值为qk，得到坝顶均布车道荷载24.75 kN/m。
2.3计算方法
按照规范要求极限平衡法分析坝坡静力抗滑稳定性应采用简化的毕肖普法。由于毕肖普法保留了瑞典法圆弧形滑裂面和力矩平衡条件，但是考虑了土条间作用力在法线方向的贡献[8]，所以就计算结果而言，毕肖普法计算的安全系数应大于瑞典法。当假定滑动面上的抗滑系数相同时，毕肖普法计算结果更加合理[9-10]。
考虑到毕肖普法可能出现数值计算上的问题[11]，故须做瑞典法计算，以作为验证与对比，当瑞典法计算结果出现小于毕肖普法结果时，应重新计算。同时，瑞典法作为条分法中最古老而又最简单的方法[12]，其计算结果也有一定的参考价值。计算时不考虑渗流的影响。
采用河海大学所编SLP计算程序。该计算程序可在考虑复杂的加荷与水位变化情况下，作总应力法与有效应力法计算。在运用该软件运算时，将坝顶车辆荷载换算成容重为γ=10 kN/m3，黏聚力c=0与φ=0内摩擦角的相应土层。
2.4稳定性分析
根据天仙湖库中坝上游的正常运行工况，以及三峡水库的运行水位，将分析该库中坝坝坡在水库不同运行工况下，坝顶通车对坝坡稳定性的影响。水库运行工况不仅考虑上下游最高与最低水位，同时考虑水位骤降的运行工况。具体设计的分析方案见表2。
根据计算断面，由材料分区及相应水位，划分不同材料层，编写SLP软件计算所需的文件，然后经行计算。在不考虑渗流对坝坡稳定影响的情况下，计算结果见表2。
综合分析表2可知如下结果。
（1）对比瑞典法、毕肖普法计算结果可知，毕肖普法计算安全系数比瑞典法约提高8.1%～11.5%。坝顶通车与否，上下游坝坡在各运行工况下，存在瑞典法计算结果低于130，毕肖普法计算的结果在1.30左右的方案，这表明了上下游坝坡的安全储备较小，其收受到水位的影响是显著的。故对于库中坝而言，上下游水位对坝坡的稳定安全系数影响是显著的，必须引起足够的重视。
（2）坝顶通车对坝坡稳定的影响。
表2计算方案与安全系数
由图2可知，在正常运用工况下，坝顶通车时安全系数约降低2.5%～3.1%（上游坝坡）与1.5%～4.0%（下游坝坡），水位骤降工况下，坝顶通车时安全系数约降低2.6%（上游坝坡）与1.7%（下游坝坡）。即坝顶通车会对坝坡安全系数产生影响，但影响较小。这是由于坝顶通车时， 车辆静荷载增加滑动效应的同时也增加了抗滑效应，但增加的滑动效应比增加的抗滑效应大。就对上下游坝坡稳定安全系数影响的程度而言，坝顶通车对上游坝坡的稳定性影响较大，这是由于上游坝坡较陡的缘故。
图2坝顶通车与否的坝坡安全系数
为了全面分析坝坡的安全稳定性，将安全系数结合滑弧经行分析。由图3、图4可知，坝顶通车时的滑弧深度较深、长度较长，且其滑弧穿过了灌浆区与盖重。对于上游坝而言，不通车时滑弧没有穿过灌浆区，而通车后，滑弧则通过了灌浆区。对于下游坝坡而言，其在水位为143.30 m时，滑弧的滑出点均高于水位线，当坝顶不通车时的滑弧最低点略高于水位线，表明此时的坝坡滑动面已经不受水位的影响，但坝顶的通车时滑弧的最低点低于水位线。
图3上游最低的安全系数与对应滑弧位置
图4下游最低的安全系数与对应的滑弧位置
由图5、图6可知，水位骤降工况下，无论坝顶通车与否，滑弧都穿过灌浆区，滑弧的切入点几乎相同，滑出点都在盖重的边界上，这表明若进一步加固灌浆区与加强盖重，将会增加坝坡的稳定安全系数。坝顶通车时，上游坝坡滑弧的滑出点较高，而下游坝坡的滑弧滑出点则较低。
图5上游水位骤降的安全系数与相应滑弧位置
图6下游水位骤降的安全系数与相应滑弧位置
3结语
（1）就安全系数而言，坝顶通车时坝坡安全系数较小，即其对坝坡稳定性存在一定影响，但影响较小。从对上下游影响的程度看，坝顶通车对上游坝坡的影响比下游大。就滑弧位置而言，坝顶通车时坝坡滑弧都穿过灌浆区与盖重。
（2）本文将车辆荷载由动荷载简化为静荷载，同时未考虑水对土体强度的影响以及渗流作用，计算结果与实际存在一定的差异，建议工程应用中结合考虑了以上因素计算结果与本文结果结合，经行综合分析。参考文献：
[1]吴昊.燕山水库坝体结构设计与坝坡稳定分析[J].水电能源科学，2009（6）：100-102.
[2]SL 274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].
[3]赵惠玲，何明，韩建华，等.坝顶公路荷载对坝坡稳定的影响分析[J].大坝与安全，2008（3）：41-44.
[4]杨果岳，张家生，王晅，等.车辆速度与载重对路面结构影响的现场试验研究[J].岩土力学，2008（11）：3099-3103.
[5]杨果岳，张家生，王晅，等.多因素影响下的车辆振动试验[J].中南林业科技大学学报，2010（10）：147-150.
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更新时间：2024/12/23 6:18:03