快林水庫水位驟降與土壩內(nèi)坡滑坡相關(guān)性分析

何善國

（廣西南寧水利電力設(shè)計院，廣西南寧530001）

快林水庫水位驟降與土壩內(nèi)坡滑坡相關(guān)性分析

何善國

（廣西南寧水利電力設(shè)計院，廣西南寧530001）

本文簡析了快林水庫隧洞漏水與水位下降變化情況和土壩內(nèi)坡滑坡及其成因，采用簡化Bishop法對該庫水位降落過程中土壩內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定性狀態(tài)及不利水位進(jìn)行了計算分析。根據(jù)現(xiàn)場檢查分析，認(rèn)為水庫放水塔后隧洞進(jìn)口段不良地質(zhì)構(gòu)造帶和襯砌結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量缺陷導(dǎo)致局部基礎(chǔ)滲透破壞形成漏水口，使庫水位失控性過塊下降而引發(fā)內(nèi)坡滑坡。計算結(jié)果表明，壩體滲透系數(shù)小于1.0×10-5cm/s時，壩內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨水位下降而持續(xù)減小，不存在最不利水位；滲透系數(shù)大于1.0×10-5cm/s時，約1/3壩高以下的低水位區(qū)間存在內(nèi)坡穩(wěn)定性最不利水位，該水位與實際發(fā)生滑坡的始滑水位基本吻合。

隧洞漏水；水位驟降；壩體滑坡；穩(wěn)定性最不利水位；始滑水位；快林水庫

1 概況

1.1 水庫概況

廣西橫縣快林水庫興建于1957年7月，竣工于1958年3月，2010年11月進(jìn)行除險加固，一年之后完工，2012年11月中旬主體工程驗收并蓄水運(yùn)行。該水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪等綜合利用的小（1）型水庫，設(shè)計灌溉面積0.37萬畝，總庫容152萬m3，有效庫容123萬m3，設(shè)計（P= 2%）和校核（P=0.2%）洪水洪峰流量分別為72.2m3/s和106m3/s，相應(yīng)洪水位分別為104.11m和104.43m，正常高水位102.85m，死水位88.82m。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高19.3m，壩長142m，壩頂寬4.5m。溢洪道位于大壩左側(cè)的山坳處，寬17m，校核洪水位時下泄流量91m3/s。放水塔及放水隧洞位于大壩右端外側(cè)，隧洞布置于山體內(nèi)，斷面形式為城門洞型，鋼筋混凝土襯砌，洞長113.9m，洞寬和高度分別為1.2m和1.6m，設(shè)計灌溉引用流量為0.6m3/s，無壓狀態(tài)下最大過水流量為2.437m3/s。

1.2 隧洞漏水致庫水位下降情況

1.2.1 隧洞漏水及其成因

2013年12月26日早上7時，水庫管理所值班人員發(fā)現(xiàn)放水隧洞出口有小流量出水，當(dāng)時水庫放水塔并未開閘放水?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧洞漏水過程中放水塔后水面有旋渦現(xiàn)象，庫水位降至90.96m之后發(fā)現(xiàn)放水塔后偏左側(cè)坡腳有一直徑約2.3m的漏水洞口，與水面出現(xiàn)旋渦位置基本一致，漏水洞最高達(dá)3.7m，于水平進(jìn)深約11m處與隧洞進(jìn)口段相連通，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)被滲透水擊穿，缺口長度約3.3m，庫水由此通道再經(jīng)隧洞后段泄至下游河道，隧洞進(jìn)口段基礎(chǔ)底板沖淘破壞長度約12.4m，下游出口處右灌溉渠分水閘和局部渠道及邊墻被沖毀。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和前期勘探資料，隧洞進(jìn)口段地質(zhì)條件較差，洞身圍巖為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾全風(fēng)化頁巖，全風(fēng)化頁巖夾層厚度約0.2～0.4m，呈軟～可塑狀，力學(xué)強(qiáng)度低，易透水，分析認(rèn)為在持續(xù)較長時間的水壓力浸透作用下，進(jìn)口段洞周巖土層已形成較強(qiáng)滲透壓力場，在較大的外部滲透壓力作用，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)薄弱處被擊穿而形成缺口。根據(jù)快林水庫除險加固工程質(zhì)量抽檢報告資料，多處隧洞襯砌的強(qiáng)度、厚度和鋼筋配置不滿足設(shè)計要求，局段不按設(shè)計配筋，最薄處襯砌厚度不足設(shè)計值1/2。分析認(rèn)為，上述不良地質(zhì)構(gòu)造及施工質(zhì)量缺陷是造成快林水庫放水隧洞進(jìn)口段滲透破壞而成為漏水通道的直接原因。

1.2.2 庫水位降落變化情況

據(jù)觀測資料，隧洞出現(xiàn)漏水時庫水位為102.45m，比正常水位低0.4m，之后隧洞出口漏水量逐漸增大，庫水位也隨之急速下降，到27日晚上21時55分，土壩內(nèi)坡開始滑動，此時庫水位為92.10m。為了存留部分庫容水量用于春灌，在漏水洞口前邊用袋裝土堆筑擋水堰，故庫水位降至91.10m之后便停止對庫水位隨時間下降變化的觀測工作，擋水堰形成后庫水位穩(wěn)定維持于90.96m。至土壩內(nèi)坡發(fā)生滑坡，庫水位下降達(dá)10.35m，歷時38.917h，平均降速0.266m/h（約6.384m/d）。庫水位下降情況見表1。

表1 快林水庫水位降落變化情況

2 內(nèi)坡滑坡成因分析

2.1 滑坡特性

滑坡體穩(wěn)定后的大壩外觀現(xiàn)場情況見圖1。地質(zhì)分析認(rèn)為水位線附近以下填土層含水較飽和的壩體首廒失穩(wěn)下滑，進(jìn)一步引起水位線以上壩坡失穩(wěn)，滑坡體形態(tài)呈牽引式。

根據(jù)勘探成果分析，滑坡體前緣滑動界面為原壩基耕土層與沖積卵石土層接觸面，滑體最大厚度達(dá)7m；滑坡體平面形狀近于馬蹄，見圖2，滑體主滑方向垂直壩軸線，前緣已延伸至庫內(nèi)，后緣至壩頂防浪墻后邊，縱向長約50m，最寬約133m，平面面積約0.65萬m2，約為上游壩面的90%，滑坡體總方量約2.28萬m3。綜合判定此滑坡為弧面型淺層小型滑坡。

圖1 內(nèi)坡滑坡后大壩外觀

內(nèi)坡滑動時大壩上游壩面及防浪墻后側(cè)壩頂路面出現(xiàn)縱向裂縫，之后數(shù)小時裂縫發(fā)展迅速，至2013年12月28日5時，壩頂路面最大裂縫寬度已發(fā)展至1.60m，滑坡體水平位移0.13m，垂直位移0.60m；2014年1月9日，滑坡體基本穩(wěn)定時，壩頂最大裂縫寬度為2.32m、最大深度達(dá)1.0m，滑坡體中心（位于上游壩面中心）最大水平位移5m、最大垂直位移1.5m。

滑坡體后緣最高伸至壩頂防浪墻后側(cè)路面，壩頂中段防浪墻隨內(nèi)坡滑動下沉外移，但沒有危及下游壩坡安全。

2.2 內(nèi)坡滑坡成因分析

綜合分析快林水庫水位下降變化情況及勘察成果，認(rèn)為滑坡是由下面幾個因素綜合作用的結(jié)果。

（1）庫水位降落速度過快

快林水庫隧洞因進(jìn)口段基礎(chǔ)被滲透破壞形成漏水通道，造成不可控制的嚴(yán)重漏水，致使庫水位下降速度過快。由表1可知，快林水庫各時段平均水位降速V降均大于2.9m/d，最大達(dá)6.384m/d。壩體給水度μ取0.003，滲透系數(shù)k滲取室內(nèi)土工試驗小值平均值2.39×10-4cm/s時，則k滲/（μ V降）為10.76～23.26，介于驟降與慢降之間，但當(dāng)k滲較小時，則k滲/（μ V降）值接近于或小于0.1即水位下降接近或?qū)儆隗E降的情形。分析認(rèn)為，快林水庫處在長時間的正常高水位運(yùn)行，使土壩上游壩坡體已呈飽和狀態(tài)，加上壩體的滲透及排水性能相對較弱，當(dāng)庫水位驟降到較低位置時，壩內(nèi)浸潤線最高點和內(nèi)坡逸出點位置較高（如k滲為2.39×10-5cm/s時，浸潤線最高點和內(nèi)坡逸出點高程比始滑水位92.1m分別高出7.07m和2.76m，當(dāng)k滲為1.93×10-6cm/s時，分別高出8.53m和4.53m），水面線以上壩面水壓雖已消失，但大壩土體內(nèi)水分不能及時排出，庫內(nèi)一側(cè)的壩內(nèi)浸潤線坡降較大，壩坡內(nèi)外還存在水位差，壩坡土體內(nèi)水體向外排泄及水面線降落過程中會產(chǎn)生較大的動水水壓力，這極易引發(fā)壩內(nèi)坡失穩(wěn)。

圖2 大壩及內(nèi)坡滑坡體范圍平面示意圖

圖3 大壩計算剖面圖（單位/m）

（2）大壩施工有質(zhì)量缺陷

根據(jù)快林水庫土壩土工試驗成果，原壩體填土壓實度為83.3～88%，不合格；壩體填土塑性指數(shù)為14.1～51.4%，液限為33.0～73.8%，壩體填土質(zhì)量欠佳，在水位驟降條件下對內(nèi)坡穩(wěn)定性不利。

大壩是在上世紀(jì)50年代后期建的，筑壩時除了大壩基礎(chǔ)防滲齒槽開挖至弱風(fēng)化砂巖夾泥巖層外，其它部位耕植土層和卵石土層沒有挖除，見圖3。壩基耕植土層抗剪指標(biāo)較小，構(gòu)成大壩抗滑穩(wěn)定的一個薄弱環(huán)節(jié)。

（3）壩體填土力學(xué)指標(biāo)偏低

由快林水庫工程勘探資料知，壩體填土材料粘聚力建議值浸潤線以上為25kpa，浸潤線以下為23kpa，較小值15kpa，浸潤線之上和之下的內(nèi)摩擦角分別為14°、12°，較小值為7.6°，最小值為5.7°，大壩土體力學(xué)性能指標(biāo)偏低可能是該壩內(nèi)坡在庫水位驟降情況下失穩(wěn)的主要地質(zhì)成因。

3 內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定性及不利水位分析

對快林水庫土壩內(nèi)坡進(jìn)行水位驟降下的穩(wěn)定性驗算分析，其目的在于了解庫水位由開始漏水至內(nèi)坡開始滑坡的水位降落全過程中，壩體不同滲透系數(shù)對該壩內(nèi)坡穩(wěn)定性敏感影響、內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定性最不利水位（穩(wěn)定安全系數(shù)最小值Kmin對應(yīng)的水位）位置及其變化趨勢，并驗證該壩內(nèi)坡穩(wěn)定性最不利水位與實際發(fā)生滑坡始滑水位的吻合性。

3.1 計算方法及計算參數(shù)

滲流及內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均采用巖土工程分析軟件計算，抗滑穩(wěn)定性計算方法采用簡化Bishop法。

大壩為均質(zhì)土壩，土壩材料為粉質(zhì)粘土。室內(nèi)土工試驗結(jié)果表明，壩體土水平和垂直滲透系數(shù)小值平均值分別為3.895×10-4cm/s、2.39×10-4cm/s，浸潤線以上和以下垂直滲透系數(shù)最小值分別為1.93×10-6cm/s、0.81×10-6cm/s，浸潤線以上和以下垂直滲透系數(shù)最大值分別為8.37×10-6cm/ s、1.434×10-5cm/s，浸潤線以上和以下垂直滲透系數(shù)平均值分別為3.54×10-6cm/s、4.745×10-6cm/s；現(xiàn)場注水試驗為2.39×10-5cm/s～8.21× 10-3cm/s。有關(guān)巖土參數(shù)c、φ值采用總應(yīng)力法指標(biāo)，其他巖土計算參數(shù)如表2。

表2 快林水庫土壩壩體及壩基巖土計算參數(shù)

3.2 內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定性狀態(tài)分析

取5組壩體垂直滲透系數(shù)即室內(nèi)土工試驗小值平均值2.39×10-4cm/s和浸潤線以上最小值1.93×10-6cm/s、現(xiàn)場注水試驗最小值2.39× 10-5cm/s和平均值5.64×10-4cm/s及1.0×10-5cm/s，其他計算參數(shù)按表2，取最大壩高剖面為計算剖面如圖3。計算工況為水位降落期，庫水位由102.45m降落至91.10m，節(jié)點水位和時段平均水位降速按表1。計算時用自動搜索最危險滑動面獲取相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)最小值，計算結(jié)果繪成曲線如圖4a所示。

為了解水位驟降情況下較小的壩體力學(xué)指標(biāo)對內(nèi)坡穩(wěn)定性敏感影響，并驗證前述有關(guān)內(nèi)坡滑坡的地質(zhì)成因，這里改變壩體填土材料力學(xué)指標(biāo)，即粘聚力浸潤線以上取25kpa，浸潤線以下分別取23kpa和15kpa，內(nèi)摩擦角水上取14°，水下分別取12°和7.6°，其他巖土計算參數(shù)按表2。壩體垂直滲透系數(shù)取室內(nèi)土工試驗小值平均值和現(xiàn)場注水試驗最小值。不同壩體抗剪指標(biāo)的內(nèi)坡穩(wěn)定性及變化趨勢如圖4b所示。

圖4 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)變化趨勢圖

由圖4a可以看出，快林水庫土壩內(nèi)坡的抗滑穩(wěn)定狀態(tài)隨著庫水位下降和不同的壩體滲透系數(shù)而顯著變化，壩體滲透系數(shù)為1.93×10-6cm/s時的穩(wěn)定安全系數(shù)隨庫水位的下降而持續(xù)減小，庫水位與穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系曲線末端沒有回翹跡象，滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s時曲線末尾開始出現(xiàn)微小回翹，其他3組滲透系數(shù)在水位下降到約1/3壩高以下低水位區(qū)間時庫水位與穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系曲線趨緩且尾段上翹明顯。

圖4b表明，壩體滲透系數(shù)取室內(nèi)試驗小值平均值和現(xiàn)場注水試驗最小值，當(dāng)浸潤線以下壩體填土粘聚力c取15kP a、內(nèi)摩擦角φ取12°，庫水位速降至96m以下時內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)略大于或接近1.0，當(dāng)浸潤線以下壩體填土粘聚力c取15kP a、內(nèi)摩擦角φ取7.6°，庫水位降落至98.0m以下時內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.0，說明水位驟降情況下，在低或中低水位區(qū)間土壩內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定狀態(tài)不佳，驗證了前述有關(guān)大壩土體力學(xué)性能指標(biāo)偏低可能致該壩內(nèi)坡遇庫水位驟降時失穩(wěn)的地質(zhì)成因分析。

3.3 最不利水位分析及始滑水位驗證

取10個不同的壩體滲透系數(shù)，其他巖土計算參數(shù)按表2，節(jié)點水位和時段平均水位降速按表1。圖5是計算成果中水位98.0m以下的內(nèi)坡穩(wěn)定系數(shù)最小值對應(yīng)水位的變化趨勢圖。

圖5 穩(wěn)定系數(shù)最小值對應(yīng)水位變化趨勢圖

計算成果表明，壩體滲透系數(shù)為1.93×10-6cm/s、4.745×10-6cm/s、8.37×10-6cm/s時，內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在91.10m和91.45m水位處相同且最小，之上沒有出現(xiàn)更小的穩(wěn)定系數(shù)；其他各組滲透系數(shù)在91.10m（約壩高1/5）到94.65m（約壩高1/2.5）低水位區(qū)間各存在內(nèi)坡穩(wěn)定系數(shù)最小值，如壩體滲透系數(shù)為1.0×10-5和1.434× 10-5cm/s，水位降落至91.45m時內(nèi)坡穩(wěn)定系數(shù)最小；2.39×10-5cm/s、5.0×10-5cm/s、1.0×10-4cm/s和2.39×10-4cm/s的內(nèi)坡穩(wěn)定系數(shù)最小值對應(yīng)的水位均為92.1m（約壩高的1/4處）；滲透系數(shù)為5.02×10-4cm/s時，穩(wěn)定系數(shù)最小值對應(yīng)的水位為93.0m，但93.0m與92.10m兩個水位的穩(wěn)定系數(shù)相差很小。

由此可見，壩體滲透系數(shù)不同，內(nèi)坡穩(wěn)定性最不利水位也不同，當(dāng)壩體滲透系數(shù)較小時，庫水位驟降過程中不存在最不利水位，當(dāng)壩體滲透系數(shù)稍大或大到一定值時，庫水位驟降過程中存在一個內(nèi)坡穩(wěn)定性最不利水位，而且該水位隨壩體滲透系數(shù)的增大而升高、隨壩體滲透系數(shù)的減小而降低。

由計算成果知，壩體滲透系數(shù)1.93～8.37× 10-6cm/s的最不利水位（即理論始滑水位）為91.10m和1.0×10-5cm/s～1.434×10-5cm/s的最不利水位為91.45m，均在實際始滑水位92.10m之下，但其穩(wěn)定系數(shù)最小值比水位為92.10m的穩(wěn)定系數(shù)僅小0.2～0.4%；滲透系數(shù)為2.39×10-5～2.39×10-4cm/s的穩(wěn)定系數(shù)最小值對應(yīng)的水位為92.10m，與實際始滑水位相吻合；滲透系數(shù)為5.02×10-4cm/s的穩(wěn)定系數(shù)最小值對應(yīng)的水位雖為93.0m，但比水位為92.10m的穩(wěn)定系數(shù)僅小0.3%左右。由此可知，內(nèi)坡穩(wěn)定性最不利水位的理論值在93.0～91.10m之間，但各滲透系數(shù)的內(nèi)坡穩(wěn)定系數(shù)最小值對應(yīng)水位為92.10m或趨近于92.10m，說明理論計算得出的內(nèi)坡穩(wěn)定性最不利水位與實際發(fā)生的始滑水位基本吻合。

4 結(jié)論

通過以上的分析研究，得到如下啟示及認(rèn)識:

（1）水位降落速度過快對土壩內(nèi)坡的潛在危害性很大，對于小型水庫庫容較小而壩較高的均質(zhì)土壩尤甚。近幾年來，小型水庫輸水設(shè)施進(jìn)口段因局部工程質(zhì)量缺陷造成水力滲透破壞而失控性漏水，致庫水位速降而引發(fā)大壩滑坡事故或險情時有發(fā)生，因此小型水庫除險加固工程新建輸水隧洞進(jìn)口段不良地質(zhì)構(gòu)造與基礎(chǔ)防滲透技術(shù)處理等設(shè)計與施工質(zhì)量應(yīng)加強(qiáng)審查把關(guān)和監(jiān)督。

（2）當(dāng)快林水庫壩體滲透系數(shù)小于1.0×10-5cm/s時，庫水位驟降過程中穩(wěn)定系數(shù)隨庫水位的下降而持續(xù)減小，不存在最不利水位，當(dāng)壩體滲透系數(shù)大于該值時，庫水位下降過程中約于1/3壩高以下低水位區(qū)間存在一個抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值的水位即最不利水位，而且該水位位置隨壩體滲透系數(shù)的不同而有所升降。理論計算得出的該壩內(nèi)坡穩(wěn)定性最不利水位與實際發(fā)生的始滑水位基本吻合。

（3）壩軸線上游側(cè)壩體滲透性能較弱對壩體防滲有利，但在庫水位驟降時，對土壩內(nèi)坡穩(wěn)定性不太有利。水面或浸潤線之下的土壩壩體c值和φ值因受水體長期浸泡飽和而有所降低，庫水位急降時內(nèi)坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)在中低水位區(qū)間降低得較快或變得較小，這可能是大部分均質(zhì)土壩遇突發(fā)性不可控的水位驟降時，其內(nèi)坡易在中低水位區(qū)間失穩(wěn)的重要原因。

［1］汝乃華，牛運(yùn)光.大壩事故與安全·土石壩［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

圖9 豐水時段電站建成后四級電站尾水河道斷面流量過程線圖

圖10 豐水時段天然情況下和電站建成后四級電站尾水河道斷面流量過程線對比圖

（4）統(tǒng)計天然情況下四級電站尾水?dāng)嗝婧拥雷畲?日、2日、3日、5日的徑流量，以及電站建成后同期、同時段徑流量，對比電站建成前后同期徑流量的變化，見表10。

表10 天然情況和電站建成后四級電站尾水?dāng)嗝婧拥劳趶搅髁繉Ρ缺?/p>

從表10中能看出，電站建成后對四級電站尾水?dāng)嗝婧拥赖膹搅髁坑幸欢ǖ挠绊憽菟?、平水、豐水的影響成減小趨勢；隨著統(tǒng)計時段的加長影響也成減小趨勢。其中對平水2日徑流量影響最大，相對偏差達(dá)到了-16.3%；對豐水5日徑流量影響最小只有0.1%。由此規(guī)律，當(dāng)徑流量統(tǒng)計時間超過旬時，電站的建設(shè)對下游河道水量基本無影響。TSKEG河上游河道建引水式電站后，電站引水渠和河道的縱比降不同，水流從一級電站引水渠首傳播到四級電站尾水渠的速度與河道的傳播速度有差別，但電站引水只改變了河道的流量過程線，影響時段不會超過38h。因此，電站建成后在枯水、平水期對下游河道日平均徑流影響較大，對旬、月、年平均徑流基本無影響。對河道的總水量基本無影響。綜上所述，TSKEG河上游修建引水式電站后，電站對下游河道的徑流過程及傳播影響很小。

3 結(jié)論

目前隨著我國水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)的不斷完善，水電站的開發(fā)建設(shè)迎來了新的發(fā)展時期，許多投資小，經(jīng)濟(jì)效益高，建設(shè)周期短段的引水式開發(fā)的水電站成為水電開發(fā)的主力軍。隨著這一批水電站建成投產(chǎn)后，也面臨電站建成前后河流原來的河道水流傳播速度，水面寬度等河道特征的變化，可能會帶來建設(shè)電站所在河流的一些生態(tài)問題。本文通過針對TSKEG河修建引水式水電站對水流傳播的影響分析，從工程水文專業(yè)的角度進(jìn)行分析研究，指導(dǎo)今后對引水式水電站的開發(fā)建設(shè)有一定的技術(shù)依據(jù)和經(jīng)驗教訓(xùn)。

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1672-2469（2015）10-0055-06

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.17

何善國（1956年—），男，教授級高級工程師。