基于稳定性分析的高填方路基边坡稳定分析

基于稳定性分析的高填方路基边坡稳定分析

1坝体方案设计燕山水库位于河南省叶县，控制面积169公里，库基9.25亿3m。采用500-a一遇洪水设计和5000-a一遇洪水调整，主要用于防洪，结合供水、灌溉、发电等综合利益。坝体方案设计见图1。上游戗堤高程94m,大坝防渗体至105m高程(非汛期20a年一遇),坝体下游任意料区与反滤带区至112m高程,堆石体坝面采用土工复合材料防渗,主体工程于2007年年底完成。2坝体安全超高和最大风速确定据调洪演算结果,100a一遇洪峰流量为8810m3/s,相应水库水位109.10m。根据叶县气象站资料,北西向风速计算的波浪爬高值最大,多年平均年最大风速14.21m/s(换算为库面以上10m处风速19.74m/s)。根据规范要求,计算风速对正常运用条件取多年平均年最大风速的2.0倍,吹程、平均水深、坝前水深由1/5000地形图量取。据文献计算波浪高度,坝体安全加高按二级建筑物考虑。计算风浪爬高加安全超高后,临时断面顶高程112m。断面顶宽8m,上游坡比为1∶2.0、1∶3.5、1∶60,下游坡为两级,自上而下坡比分别为1∶2.25、1∶2.50,于变坡高程107m设2m宽马道(图1)。2.1坝体土料含水率坝体防渗体采用低液限粘土(中重粉质壤土)(Q3)填筑,防渗体粘土斜墙和临时围堰防渗体结合共同组成大坝防渗体。除截流戗堤外,围堰按坝体填筑要求填筑。除天然含水率较高(平均高于最优含水率5.4%)、少部分料场塑性指数偏大外,低液限粘土(Q3)基本满足均质坝土料及防渗体土料质量标准。斜墙坝段和均质坝段均按压实度99%控制,设计压实干密度为1.74t/m3。施工时为确保土料压实效果,严格控制上坝土料含水率在最优含水率的-2%～+3%偏差范围内。对料场含水率过高采取翻晒处理以降低含水率。防渗体的断面布置应根据坝体开挖填筑料物平衡及天然建筑材料来源情况,同时考虑围堰防渗体和坝体粘土斜墙结合、防渗墙施工及顺河大断层段坝基的后期处理等综合因素确定。2.2下游反滤排水坝体反滤排水带基于防渗体下游坝壳料性质由粗砂或粗砂加天然砂砾料过渡层组成;坝下游底部水平排水带基于下游坝壳料性质与坝基岩性由粗砂、粗砂加天然砂砾料或天然砂砾料组成。防渗体下游反滤排水采用1.2m厚的粗砂反滤层加2m厚的天然砂砾料过渡层两层布置。水平排水带在最高尾水位93.99m高程以下采用溢洪道开挖的石英砂岩开挖料填筑,最高尾水位以上采用不同风化程度的开挖石渣填筑。因采用砂砾料和透水堆石填筑,下游贴坡排水可与护坡结合并予以简化。(1)基坝式防渗材料结果防渗体土料为粘性土,颗粒>5mm含量为零,颗粒<0.075mm的含量为87.35%,其反滤层粒径为:D15≤9d85(1)式中,D15为反滤料的粒径,小于该粒径的土重占总土重的15%;d85为被保护土的粒径,小于该粒径的土重占总土重的85%。基于防渗料各料场平均级配曲线确定防渗料的d85=0.069mm,代入式(1)可得D15=0.621mm。根据干江河上、下游各料场砂料的级配曲线,D15为0.238～0.379mm,从安全计,取最粗级配曲线的D15用于滤土判别,则反滤粗砂层的D15=0.379mm<0.621mm,可满足防渗料反滤要求。反滤层排水:D15≥4d15(2)式中,d15为被保护土的粒径,小于该粒径的土重占总土重的15%。将防渗料d15=0.00357mm代入式(2)可得D15=0.0108mm。根据干江河上、下游各料场砂料的级配曲线,取最细级配曲线的D15用于排水判别,粗砂反滤层的D15=0.238mm>0.0108mm,可满足反滤层排水要求。粗砂反滤层的D10(上包线)、D90(下包线)分别为0.16、4.25mm,亦满足防止分离的反滤料级配要求。干江河上游砂料区砂料、干江河上下游砂砾料区及文井河、古城河砂砾料区筛余砂料均合格,不均匀系数、含泥量、渗透系数均满足规范要求。防渗体渗透系数大值均值为1.32×10-6cm/s,与反滤排水砂带渗透系数相差数千倍,由排水能力看反滤粗砂层的厚度满足要求。从施工角度,坝体排水砂带的水平宽度均<3m,不能满足载重汽车卸料、推土机平料的常规施工方法要求。但由于砂料需筛分加工,单价很高,设计采用1.0～1.2m厚的反滤粗砂水平宽为1.60～1.92m,采用装载机或反铲铺筑,仍可行。(2)天然砂料的粒度成分粗砂反滤层为无粘性土,与天然砂砾料间的层间反滤关系:D15/d85≤4～5(3)D15/d15≥5(4)按各料场砂料和砂料的平均级配曲线确定粗砂反滤层的d15=0.322mm、d85=2.69mm,天然砂砾料的D15=0.718mm,代入式(3)、(4)可得:D15/d85=0.267、D15/d15=2.23,分别表明层间反滤保护满足要求,天然砂砾料作为粗砂反滤层的反滤过渡层粒度成分略偏细。但式(4)主要反映透水性的递增,因粗砂反滤层的渗透系数为3.78×10-2～5.57×10-2cm/s,而天然砂砾料为7.58×10-2～1.45×10-1cm/s,尚可满足渗透性递增要求,因此从防渗透变形看,各砂砾料场筛余粗砂料作为防渗体与天然砂砾料间的反滤层可满足要求。2.3石英砂岩和页岩开坝基于开挖料的原则,下游坝壳任意料区主要采用泄水、输水建筑物开挖的石渣和溢洪道尾水渠开挖的第三系粘土质砂岩砂砾岩填筑。开挖石渣岩性为不同风化程度的马山口组石英砂岩和安山岩、云梦山组石英砂岩和页岩,其中马山口组石英砂岩抗风化能力较强,开挖料基本为弱微风化料,为较好的硬岩堆石料,在大坝下游坝壳填筑利用量最大,下游最高尾水位93.99m高程以下坝壳应优先采用该坝料填筑。第三系粘土质砂砾岩、马山口组风化安山岩和云梦山组风化砂页岩性质较软弱,但用于河槽段及台地较高坝段下游干燥区坝壳填筑,可满足设计要求。堆石料填筑标准暂定孔隙率<25%,最大粒径不宜超过碾压层厚或层厚的2/3,其填筑标准和碾压参数宜通过碾压试验确定。3水库安全分析3.1坝坡抗滑稳定计算燕山水库地震基本烈度为6度,故坝坡稳定计算可不考虑地震工况。坝坡稳定计算参数见表1。采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定。采用有效应力法计算,使用中国水利水电科学研究院岩土所编制的边坡稳定分析程序STAB、采用最优化法自动搜索最小安全系数和最危险滑裂面,计算结果见表2。由表可知,上、下游临时挡水断面坝坡稳定可靠。3.2坝体渗流场数据分析根据燕山水库坝基存在F100区域性顺河大断层、河槽段坝基有较厚卵石混合土透水层(Q4、Q3)分布的地质条件分析河槽段典型断面坝体平面有限元渗流。工况采用上游蓄水位109.21m下游无水,下游水位平河底高程85.0m。渗流计算确定采用各分区渗透系数见表3。渗流分析采用河海大学工程力学研究所编制的水工结构分析系统软件AUTOBANK4.0计算,稳定渗流场分析可输出等势线、渗流量、浸润线、水力坡降、任意点的流场数据、任意断面的流场数据分布图。当防渗墙截断透水卵石混合土层后,河槽段可降至下游坝脚溢出点的水力比降0.011以下,远小于坝体粗砂反滤排水带平均允许比降0.30和坝基卵石混合土允许比降0.12,故满足渗流稳定要求。计算坝基渗流量时,坝基按地形地质条件沿坝轴线方向分为N个水平向的区段,各区段宽分别为Li(i=1,2,…,N)。每一区段又可在垂向上分为Mi层,单层厚度、渗透系数、水力比降分别为hji、Kji、Jji。则坝基总的渗流量为:Q=∑i=1NQi=∑i=1NqiLi=∑i=1N(∑j=1MiKjihjiJji)Li(5)Q=∑i=1ΝQi=∑i=1ΝqiLi=∑i=1Ν(∑j=1ΜiΚjihjiJji)Li(5)式中,Qi为第i区段流量;qi为第i区段单宽流量。已知干江河多年平均径流量为11.48m3/s,根据坝基渗流量与多年平均径流量之比可评价坝基渗流量的相对值。坝体坝基渗漏量0.00916m3/s,年渗漏量28.89万m3,远小于年平均径流量和来水量,坝基渗漏无问题。3.3粘土土和堆石体间的变形大坝下游坝体堆石体的沉降变形一般在施工期即完成总沉降量的90%以上,而粘性土的沉降则需数年时间方可基本完成,因此,粘性土和堆石体间变形差异不可避免。但由于粘土防渗体和下游砂料砂砾料及堆石体间的结合坡比为1∶1.25,坡度较缓,且堆石体作为粘土斜墙防渗体的支撑体,较小的变形对减少上部斜墙防渗体的总体沉降变形有利。因此,先期填筑下游堆石坝体对上游斜墙防渗体有利。4反滤砂料、砂料和砂料强度根据叶县近5a各月平均降雨量和降雨日数统计分析,非汛期燕山水库反滤料、石料填筑日数约为30d,施工基本不受降雨影响。土料翻晒、土方填筑有效施工天数15.7～26.6d,月平均20.26d。100a一遇坝体度汛断面共有反滤砂料、砂砾料和任意料填筑90.09万m3,月均强度15.02万m3,日均强度0.50万m3,日最大强度0.75万m3。该填筑强度能达到。土方填筑量34.40万m3,施工实际工期4个月,月均强度8.6万m3,考虑施工不平衡系数,月最大强度12.9万m3,月均上升高度5.25m;日均强度4587m3,日平均上升高度约0.50m,与统计的45座土石坝施工月