基于有限元模型分析李金水库除险加固岸坡的稳定性.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gA u g,蒋春宇基于有限元模型分析李金水库除险加固岸坡的稳定性J水利科学与寒区工程,():基于有限元模型分析李金水库除险加固岸坡的稳定性蒋春宇(沈阳市文林水土工程设计有限公司,辽宁 沈阳 )摘要:库水位的波动变化会对岸坡的稳定性造成较大影响,存在失稳滑坡破坏的可能性.本文针对李金水库除险加固后库水位提升较大的情况,利用有限元模型模拟水位升降波动变化对库区土质边坡安全稳定性的影响.结果显示,在水库库水位升降变化过程中,各类型土质岸坡均处于稳定状态.关键词:李金水库;土质岸坡;稳定性评价;数值模拟中图分类号:T V ;T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:蒋春宇(),女,山东梁山人,工程师,主要从事农业水利工程设计工作.E m a i l:s n e t i m e n t o u t l o o k c o m.工程背景李金水库位于绥中县大王庙镇境内小黄村王宝河支流上,坝址以上河长 k m,控制流域面积 k m,河道比降 .水库是以调洪、灌溉为主,供水、养鱼为辅的小()型水库.水库始建于 年月,年月竣工.根据原设计方案水库的正常蓄水位为 m,设计库容 万m.水库由大坝、溢洪道、输水洞三部分组成.其中,大坝为黏土心墙砂壳坝、溢洪道为开敞式宽顶堰.经过多年运行,水库病险问题比较突出,在除险加固之后,水库大坝培厚加高,平均坝高较加固 前 提 高 了 m,达 到 m,坝 顶 宽 m,上游面坝坡坡度 ,下游面坝坡坡度 .水库防洪标准由原来的 年一遇提高到 年一遇.库水位也相应抬升 m.设计洪水位 m,校核水位 m,运行水位 m,低水位 m,设计 库 容 量 增 加 至 万m,可以发挥更好的防洪效益和经济效益.由于水库蓄水量的大幅增加,导致库区更多的坡积土和滑坡堆积土被淹没,容易引发现状稳定边坡的失稳破坏,并对水库的正常运行造成一定的危害.因此,研究库区边坡的稳定性,特别是运行过程中水位升降变化对边坡稳定性的影响,应该是工程建设和运行过程中必须要关注和解决的问题.基于此,此次研究利用数值模拟的方式,选择库区典型岸坡进行最不利工况下的稳定性系数计算,为工程设计和后期运行提供必要的参考.有限元计算模型 有限元模型的构建G e o s t u d i o是一款优秀的地质工程分析软件,该软件的主要优势是其所有软件都可以在同一环境下运行,用户仅需要构建一个几何模型,即可在所有软件中使用.此外,用户可以在求解区域上定义模型的材料属性和边界条件,而不是在有限元网格上定义,因此可以对几何模型进行随意修改而不会导致先前定义的模型属性丢失.鉴于滑坡堆积体岸坡、黄土陡坡以及坡积土陡坡在库区分布较为广泛,且比较容易发生滑坡和坍塌破坏.因此,研究中选择上述种岸坡作为主要研究对象.在模拟计算过程中,每种岸坡选择一个典型断面作为研究断面,各断面的特征如表所示.利用G e o s t u d i o软件对个典型断面进行有限元计算模型的构建.断面A高度约为 m,坡度 .模型构建过程中以水平指向库区方向为X轴正方向,以竖直向上的方向为Y轴正方向,对整个边坡以 m网格进行网格单元剖分,对表研究断面的位置和特征断面编号类型高程/m坡底坡顶位置断面A滑坡堆积体岸坡 坝址以上左岸 m断面B黄土陡坡 坝址以上右岸 m断面C坡积土陡坡 坝址以上左岸 m局部进行加密处理.整个模型划分为 个网格单元,个计算节点.有限元模型示意图如图所示.按照类似方式构建断面B和断面C的有限元模型,其网格单元数分别为 个和 个,节点数分别为 个和 个.断面A、断面B、断面C的有限元模型示意图分别如图、图和图所示.图断面A有限元模型示意图图断面B有限元模型示意图 边界条件和计算参数根据G e o s t u d i o软件的边界处理原则,研究中将各个边坡的边界条件进行如下设置:边坡远离库区的一侧和底部均为无限远处,设置为不透水边界条件;边坡的顶部和坡面为自由入渗边界条件,为流量边界条件.边坡靠近库区的一侧在库水位以上为零边界处理,使库水淹没的部位能够自由渗入或渗出.图断面C有限元模型示意图在计算过程中,假设岸坡为均质土体岸 坡,坡面光滑.假定土体材料为弹塑性、各向同性材料.岸坡的下层饱和土种类为孔隙水压力变化,上层天然状态的土材料为总应力参数.在库水位升降变化过程中,浸润线以下的土体为饱和土,以上部位为天然状态.土体材料的计算参数如表所示.表土体材料计算参数土体类型弹性模量/MP a黏聚力/MP a重度/k Nm内摩擦角/()泊松比剪胀角/()天然状态 饱和土 计算方案背景工程在除险加固工程完工之后,首先将蓄水位在现状水位抬升 m,在运行过程中需要在高程 m变化.因此,在研究过程中设计了库水位上升、库水位下降以及库水位波动变化等三种不同的计算工况.其中,库水位上升工况由现状水位 m以 m的间隔逐步抬升至 m高程;库水位下降工况由水位 m高程以 m的间隔逐步下降至 m高程;库水位波动工况为库水位在 m范围内小幅波动变化.根据 水利水电工程边坡设计规范(S L ),背景工程岸坡的安全允许值为 ,研究中通过数值模拟的方式对边坡稳定系数进行计算,并对边坡的稳定性进行评价.水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷 计算结果与分析 库水位上升利用构建的有限元计算模型,对库水位上升工况不同库水位高度下的个典型断面稳定系数进行计算,结果如表所示.由计算结果可知,在 m的现状库水位条件下,滑坡堆积体岸坡(断面A)、黄土陡坡(断面B)以及坡积土陡坡(断面C)的稳定系数分别为 、和 ,均显著高于安全允许值,由此可见,在现状水位条件下,库区上游的土质边坡均处于稳定状态.随着库水位高度的不断升高,各典型断面的稳定系数均呈现出先下降后小幅上升的变化特点.断面A在 m高程稳定系数最小,为 ;断面B在 m高程稳定系数最小,为 ;断面C在 m高程稳定系数最小,为 ,均显著大于稳定系数允许值,说明边坡均处于安全稳定状态.由此可见,库水位在上升过程中,库岸土质边坡的安全稳定性良好,不会发生滑坡、崩坍等地质灾害.表库水位上升工况边坡稳定系数计算结果库水位/m断面A断面B断面C 库水位下降利用构建的有限元计算模型,对库水位下降工况不同库水位高度下的三个典型断面稳定系数进行计算,结果如表所示.由计算结果可知,在库水位下降过程中,各个断面的稳定系数均呈现出先减小后增大的变化特点.断面A在 m高程的稳定系数最小为 ;断面B在 m高程的稳定系数最小为 ;断面C在 m高程的稳定系数最小为 .但是,从数值上来看,各断面的稳定系数均显著大于工程允许值,说明上游库岸土质边坡均处于稳定状态,失稳风险较小.表库水位下降工况边坡稳定系数计算结果库水位/m断面A断面B断面C 库水位波动变化利用构建的有限元计算模型,对库水位在不同水位高度下频繁波动变化工况三个典型断面稳定系数进行计算,结果如表所示.由计算结果可知,库水位频繁升降变化会对边坡稳定系数造成程度不同的影响.从具体计算结果来看,不同水位的边坡稳定系数均有一定程度减小.相对而言,黄土陡坡(断面B)以及坡积土陡坡(断面C)受到的影响较小,稳定系数减小约 左右.但是,滑坡堆积体边坡(断面A)受到的影响较大,特别是库水位在 m高程波动变化时的岸坡稳定系数降幅较大,已经低于安全允许值,极易诱发滑坡、崩塌等地质灾害.因此,在工程建设中需要对库区消落带的此类岸坡进行工程技术处理,在后续的工程运行期间,尽量避免库水位在上述高程频繁波动变化.表库水位波动变化工况边坡稳定系数计算结果库水位/m断面A断面B断面C 结语此次研究以具体工程为背景,探讨了库水位升降和波动变化对库区土质边坡安全稳定性的影第期蒋春宇基于有限元模型分析李金水库除险加固岸坡的稳定性响.结果显示,在水库库水位升降变化过程中,各类型土质岸坡均处于稳定状态.库水位在某一高程的波动变化会对滑坡堆积体岸坡的稳定性造成较大影响,存在失稳破坏的可能性,建议采取工程措施或调度措施.当然,库岸的土质岸坡地质条件十分复杂,影响此类岸坡塌岸的因素众多,难以对其进行精确预测.因此,要使预测结果接近实际情况,还需要进行更多的现场监测和分析,为工程技术和管理措施的选择和使用提供必要的依据.参考文献:邓华锋,李建林库水位变化对库岸边坡变形稳定的影响机理研究J水利学报,(S):仉文岗,王尉,高学成库区水位下降对库岸边坡稳定性的影响J武汉大学学报(工学版),():林财发水位变幅区劣化对库岸稳定性的影响分析J东北水利水电,():,赵志阳,杨雪琪,宋扬,等基于S c o o p s D模型的区域库岸边坡稳定性分析J人民黄河,():刘新荣,景瑞,缪露莉,等巫山段消落带岸坡库岸再造模式及典型案例分析J岩石力学与工程学报,():于婷婷,顾圣平,邵雪杰,等考虑降雨拉张裂缝作用的库岸边坡稳定性分析J人民黄河,():方景成,邓华锋,肖瑶,等库水和降雨联合作用下岸坡稳定影响因素敏感性分析J水利水电技术,():,胡孝洪,朱德明,刘海西藏某古滑坡库岸边坡稳定性分析及防治 工 程 评 价 J水 利 水 电 技 术,(S):水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷