非穩(wěn)定滲流期驟降判別及均質(zhì)土壩穩(wěn)定分析

王民俠，張榮斌

1 工程概況

亭口水庫(kù)位于陜西省咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣境內(nèi)，是以工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水為主，兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用的水利工程，同時(shí)也是解決彬長(zhǎng)礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水的重要水源工程之一。擋水建筑物均質(zhì)土壩為2級(jí)建筑物，壩頂高程896．3 m，水庫(kù)正常蓄水位893．0 m，最大壩高47．8 m，壩頂寬10 m。根據(jù)本工程《水庫(kù)運(yùn)用方式及水沙調(diào)節(jié)計(jì)算研究報(bào)告》研究成果，該水庫(kù)入庫(kù)水沙過(guò)程中水少沙多的矛盾十分突出，給水庫(kù)發(fā)揮興利效益、保持長(zhǎng)期有效庫(kù)容帶來(lái)了較大的困難，因而確定水沙運(yùn)行方式為適時(shí)迅速降低庫(kù)水位，水庫(kù)低水位或空庫(kù)敞泄排沙的相機(jī)排沙方式。當(dāng)入庫(kù)水沙不滿足相機(jī)排沙條件時(shí)，水庫(kù)蓄水運(yùn)用。為保證排沙效果，水庫(kù)水位降落很快，日降落幅度達(dá)8 m，最大降落幅度達(dá)35 m（自正常水位893．0 m降落至最低排沙水位858．0 m），在國(guó)內(nèi)水庫(kù)中十分罕見(jiàn)。

2 大壩剖面設(shè)計(jì)

在土壩設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定計(jì)算是確定大壩剖面的重要步驟，而水庫(kù)水位變化對(duì)土壩上游壩坡擬定有著非常密切的關(guān)系，水位降落工況通常是擬定上游壩坡時(shí)需控制的工況。隨著水庫(kù)水位的降落，土壩壩體土壤孔隙中的水份也將隨著水庫(kù)水位的降落而排出壩體之外。當(dāng)土壤排水性較差時(shí)，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的降落速度將滯后于壩前水位的降落速度，因此庫(kù)水位降落后，壩體內(nèi)仍維持較高的浸潤(rùn)面。這種情況不僅使壩體土料的重度發(fā)生變化，而且產(chǎn)生對(duì)壩坡穩(wěn)定不利的非穩(wěn)定滲流。這種非穩(wěn)定滲流所產(chǎn)生的滲流力，將使土粒之間的有效應(yīng)力減小，從而降低土的抗剪強(qiáng)度，危及壩坡的穩(wěn)定性。水庫(kù)水位降落速度愈快，壩體內(nèi)的自由水面位置就越高，壩坡內(nèi)所產(chǎn)生的非穩(wěn)定滲流力也愈大，因此對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響也愈大。所以在設(shè)計(jì)土壩時(shí)，非穩(wěn)定滲流期上游壩坡的擬定取決于壩體的排水性。從保證壩坡穩(wěn)定性的角度出發(fā)，通常將水庫(kù)水位降落的速度分為“速降”和“緩降”2種情況，前者將危及上游壩坡的穩(wěn)定性，后者產(chǎn)生的影響則可以忽略不計(jì)。

2．1 水位降落速度的判別

2．1．1 根據(jù) k／（μv）判別

施尼特和策列（Schnitter and Zeller，1957年）通過(guò)試驗(yàn)后認(rèn)為［1］，可取相對(duì)比值 k／（μv）（其中 k為壩體的滲透系數(shù)；μ為壩體土的給水度；v為水庫(kù)水位降落速度）作為庫(kù)水位降落快慢的指標(biāo)來(lái)判別壩坡穩(wěn)定性。當(dāng)k／（μv）＜1／10時(shí)，自由面下降極緩，可按照庫(kù)水位驟降分析問(wèn)題，且在計(jì)算壩坡穩(wěn)定時(shí)應(yīng)采用完全飽和土體；當(dāng) k／（μv）＞10時(shí)，孔隙水和庫(kù)水位同步下降，隨之泄盡，滲流對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有影響；當(dāng)1／10＜k／μv＜10時(shí)，可按照緩降相關(guān)分析。

2．1．2 根據(jù) k／（m2μv）判別

ШecTakoB認(rèn)為，k／（m2μv）＜1／20時(shí)可按驟降考慮問(wèn)題，m為上游壩坡坡率，本工程為5．25。

2．1．3 根據(jù) k／（nev）判別

根據(jù)《土石壩變形與穩(wěn)定分析》［2］，可以依據(jù)k／（nev）判別水位降落速度，式中：ne為有效孔隙率，ne＝αn，n為土壤的孔隙率0．377，α為與土體孔隙率n有關(guān)的小于1的系數(shù)，根據(jù)土壤性質(zhì)可按表1取用0．1，則 ne＝0．037 7。

當(dāng)k／（nev）＞250時(shí)，屬于同步下降，不致于影響到壩坡的穩(wěn)定性，可以不必考慮；當(dāng) k／（nev）≤0．25時(shí)，屬于驟降，浸潤(rùn)線位置保持降落前不變。

表1 確定有效孔隙率n e的系數(shù)α表Table 1 To determine the effective porosity n e of the coefficientα

2．1．4 給水度μ值的合理取用

前2種判別方法，滲流參數(shù)取值是否合理，直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否合理。滲透系數(shù)目前已經(jīng)可通過(guò)完善的方法取得，給水度μ的確定則成為決定滲流自由面下降速度的主要因素。在滲透系數(shù)和降落速度一定的前提下，μ愈大自由面下降速度就愈慢，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的水頭消散也有影響，更不利于壩坡的穩(wěn)定性。經(jīng)大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在壩坡穩(wěn)定計(jì)算中，所用μ值如果相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，其對(duì)應(yīng)安全系數(shù)就相差0．1左右［3］。

對(duì)于黏性土μ值的研究，目前暫時(shí)還沒(méi)有比較完善的確定方法，可以用以下2個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

式中：k為滲透系數(shù)，cm／s（本工程滲透系數(shù)小值均值為2×10－6cm／s）；n為孔隙率（本工程 n＝37．7%）。

式中：k為滲透系數(shù)，m／d（本工程為0．001 7 m／d）。

除用以上2個(gè)公式外，μ值的選取還可以根據(jù)滲透系數(shù)、黏粒含量、孔隙率查堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50286－98E．6．1表取用。3種方法計(jì)算的給水度μ值列于表2。

表2 給水度μ值計(jì)算表Table 2 Storativityμ－value

經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，對(duì)于沙礫土，前2式計(jì)算結(jié)果很接近；對(duì)于黏性土，公式（2）比公式（1）大2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。而查表法是根據(jù)滲透系數(shù)、黏粒含量、孔隙率選取，相比之下查表法取值比公式法要可靠一些，故本工程μ值按0．002 2取用。

2．1．5 亭口水庫(kù)水位降落速度判別

當(dāng)滲透系數(shù) k為0．001 7 m／d時(shí)，運(yùn)用前文2．1．1～2．1．3所述 3種判別方法得到的水位降落速度結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 亭口水庫(kù)水位降落速度判別Table 3 Judgement of the lowering rate of the Tingkou Reservoir water level

由上表可知：3種方法的驗(yàn)證結(jié)果一致，即亭口水庫(kù)水位降落速度為驟降，可近似認(rèn)為自由面沒(méi)有下降，而用原有穩(wěn)定自由面作為壩坡穩(wěn)定分析的最危險(xiǎn)水力條件。

對(duì)于重要工程，給水度也可以采用筒測(cè)法、水量平衡法和抽水試驗(yàn)法等方法確定；但這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且適用條件不同，計(jì)算采用時(shí)要認(rèn)真考慮各種影響因素和資料的可能誤差。

2．2 上游壩坡穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274－2001［5］，水庫(kù)水位降落期黏性土應(yīng)采用三軸儀飽和固結(jié)不排水剪總應(yīng)力指標(biāo)，本工程ccu＝26 kPa，φcu＝16．5°，采用穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線作為飽和與非飽和土體分界線，經(jīng)計(jì)算，要滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)1．35（本工程水位降落屬常遇工況，按正常運(yùn)用條件取安全系數(shù)），上游壩坡須做到1∶5～1∶5．5。

2．2．1 計(jì)算結(jié)果合理性論證

參考已建工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，上游壩坡在庫(kù)水位降幅較大或降速過(guò)快時(shí)，上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)與穩(wěn)定滲流期上游壩坡安全系數(shù)對(duì)照見(jiàn)表4。

表4 穩(wěn)定滲流及非穩(wěn)定滲流上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果對(duì)照表Table 4 Comparison of calculated results of upstream dam slope stability under steady and un－steady seepage flows

表4結(jié)果說(shuō)明，在上游水位降幅過(guò)大或降速過(guò)快的情況下，上游壩坡安全系數(shù)會(huì)比穩(wěn)定滲流期降低很多。

3 結(jié)論及建議

3．1 水位大幅驟降工況壩型的合理擬定

有很多因素影響著水庫(kù)水位降落過(guò)程中壩坡的穩(wěn)定，如水庫(kù)水位降落幅度、土料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、壩坡的坡率等。為滿足驟降期的穩(wěn)定性要求，均質(zhì)土壩需要放緩上游壩坡，但是上游壩坡越緩，排水邊界條件就越不利，形成的飽和土體范圍就越大，將產(chǎn)生危及壩坡更大的滲透水壓力。另外，以上的分析也表明，水庫(kù)在運(yùn)行期間可能出現(xiàn)較大幅度水位變化或水位快速降落，都很容易引起壩坡失穩(wěn)。由于分區(qū)土壩的壩殼材料透水性好，水位變幅對(duì)滑坡穩(wěn)定的影響相對(duì)而言小得多，因此在工程區(qū)有透水性較好的筑壩材料時(shí)，均質(zhì)壩不是適合大幅驟降的最優(yōu)壩型。

3．2 滲流參數(shù)的合理取用對(duì)壩坡穩(wěn)定至關(guān)重要

非穩(wěn)定滲流計(jì)算中，滲流參數(shù)取值是否合理，直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否合理，滲透系數(shù)和給水度μ的確定就成為決定滲流自由面位置的主要因素。

3．3 驟降后降落速度的加大不會(huì)危及壩坡安全

在滲透系數(shù)和給水度不變的前提下，當(dāng)降落速度達(dá)到驟降以后，降速的增大不會(huì)危及上游壩坡安全。因?yàn)轶E降即對(duì)應(yīng)了瞬時(shí)降落情況，浸潤(rùn)線位置由降前浸潤(rùn)線代替，已為上游壩坡最不利的使用工況。

3．4 穩(wěn)定計(jì)算中采用飽和固結(jié)不排水指標(biāo)的合理性討論

《土石壩變形與穩(wěn)定分析》中指出，壩體要達(dá)到飽和狀態(tài)相當(dāng)困難。因?yàn)橐?～12 kgf／cm2（即600～1 200 kPa）的反壓力才能使三軸試驗(yàn)的土樣在固結(jié)后浸水飽和，所以在庫(kù)水位降落期中采用飽和固結(jié)不排水總應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算，過(guò)高估計(jì)庫(kù)水位降落期上游壩坡的不穩(wěn)定性。但是否可以超越現(xiàn)行規(guī)范評(píng)定水位降落期上游壩坡穩(wěn)定性或采用其他指標(biāo)來(lái)代替飽和固結(jié)不排水總應(yīng)力指標(biāo)，有待于相關(guān)專家進(jìn)一步的論證和工程實(shí)踐。

［1］ 顧慰慈．滲流計(jì)算原理及應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2000．

［2］ 王復(fù)來(lái)，陳洪天．土石壩變形與穩(wěn)定分析［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2008．

［3］ 毛昶熙，段祥寶，李祖貽．滲流數(shù)值計(jì)算與程序應(yīng)用［M］．南京：河海大學(xué)出版社，1999．

［4］ GB 50283－98，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［5］ SL 274－2001．碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．