不同水位條件下黏土斜心墻壩滲流與穩(wěn)定性分析

郝麗娟，趙立庭，杜云龍，李維朝（.北京市京密引水管理處，北京0400；.中國水利水電科學研究院，北京00048）

不同水位條件下黏土斜心墻壩滲流與穩(wěn)定性分析

郝麗娟1，趙立庭1，杜云龍1，李維朝2
（1.北京市京密引水管理處，北京101400；2.中國水利水電科學研究院，北京100048）

水庫大壩失事統(tǒng)計中，滲透破壞和壩坡失穩(wěn)是最常見的2項誘因，并且滲流與穩(wěn)定也是水庫大壩安全評價和日常運行管理中的2項主要內(nèi)容。論文以懷柔水庫主壩為例，對運行水位條件下的監(jiān)測變形進行了分析；通過對當前蓄水位、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位4種水位條件下的穩(wěn)定滲流計算，分析了浸潤線位置、單寬滲流量、平均水力比降等隨水位條件的變化；在穩(wěn)定滲流計算出的浸潤線的基礎(chǔ)上，基于極限平衡法計算了當前蓄水位、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位4種水位條件下的壩坡穩(wěn)定性，分析了上下游壩坡安全系數(shù)及滑弧位置等隨水位條件的變化。本研究不僅對懷柔水庫安全評價中的滲透穩(wěn)定評價和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定評價奠定了基礎(chǔ)，還可以從管理的角度掌握大壩的運行性態(tài)，從不同水位條件下的滲流出口、滑面位置等角度出發(fā)，為日常管理中確定重點監(jiān)測位置及現(xiàn)場巡視重點部位提供幫助，并為相近條件下的土石壩安全評價分析提供借鑒。

滲透破壞；壩坡失穩(wěn)；安全評價

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.029

1 引言

水庫在我國防洪、灌溉、發(fā)電、旅游等水利方面發(fā)揮了重要的作用，但一旦潰決往往會造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。全國已潰壩中土壩所占比例超過90%，其中0.31%為黏土斜墻壩。水庫潰壩的原因主要為漫頂，其次為滲透破壞和壩坡失穩(wěn)[1,2]。

水庫大壩安全評價可有效診斷水庫大壩安全狀態(tài)，為后續(xù)大壩的運行管理提供支持，是預(yù)防水庫大壩潰決的有效方式[3,4]。為加強國內(nèi)水庫大壩安全管理，水利部于2000年發(fā)布了《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL258—2000），規(guī)定一般每5年、最多不超過10年、特殊情況進行特種檢查的要求，對水利大壩和水電站大壩開展安全評價[5]。在《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL258—2000）中，大壩滲流安全以及大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是安全評價中的2項重要內(nèi)容[5]。在水庫日常運行管理中，滲流安全和穩(wěn)定性也是2項重要關(guān)注點。

本文以懷柔水庫主壩為例，以現(xiàn)有監(jiān)測資料為出發(fā)點，在滲流有限元計算分析和基于條分法極限平衡分析的基礎(chǔ)上，分析了不同水位條件下黏土斜墻壩滲流與穩(wěn)定性態(tài)變化。本研究不僅對懷柔水庫安全評價中的滲透穩(wěn)定評價和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定評價奠定基礎(chǔ)，為后續(xù)水庫運行管理中的日常巡視和應(yīng)急管理給予幫助，也為相近條件下的土石壩安全評價分析提供借鑒。

2 工程概況

懷柔水庫興建于1958年，位于北京市懷柔區(qū)西南、潮白河支流懷河山峽出口處，為一座防洪、供水和調(diào)節(jié)的綜合利用大（2）型水庫。水庫總庫容1.44×108m3，主要建筑物有主壩、4座副壩、東溢洪道、西溢洪道、峰山口輸水閘、峰山口防洪閘等。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)和《防洪標準》（GB50201—2014），工程等級屬于II等，工程規(guī)模為大（2）型，主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。水庫正常蓄水位62.00m，相應(yīng)的防洪標準按100年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位為64.16m，2000年一遇洪水校核，校核洪水位67.73m，汛限水位為58.00m。

水庫主壩為黏土斜墻壩，下游壩殼區(qū)為砂礫料。壩長1088m，壩頂高程68.00m，最大壩高23.0m，壩頂寬5.0m。主壩上游壩腳設(shè)置截水槽，與斜墻一起組成防滲體。主壩壩基上部為卵礫石、粉質(zhì)黏土層，下部為卵石、粉質(zhì)黏土互層。

本文選取懷柔水庫主壩為研究對象，并以主壩最大斷面為代表性斷面，開展了不同水位條件下的滲流與穩(wěn)定性態(tài)變化，并就其變化規(guī)律開展研究。

3 懷柔水庫蓄水以來水位變化

懷柔水庫1958年開始蓄水，至今沒有發(fā)生大洪水。通過圖1所示的懷柔水庫蓄水以來的水位變化可以看出，懷柔水庫運行期的庫水位大部分年份在57.0m上下運行。1959年～2014年年底，庫水位最低值為53.00m，發(fā)生日期為1969年6月17日，庫水位最高日均值為62.07m，發(fā)生日期為1973年8月17日。1988年進行了水庫提高防洪標準工程，并于1991年竣工，1959年～1990年 6月 11日，庫水位變化于53.00～62.07m，1990年6月12日～2014年12月31日庫水位變化于55.12～60.29m。

在分析不同水位條件下的滲流與穩(wěn)定性態(tài)變化時，此運行期所展示水位變化僅是當前蓄水位作為常態(tài)條件下的一種工況，還應(yīng)考慮一些非常態(tài)的特征水位工況，如正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位等。

圖1 懷柔水庫蓄水以來庫水位變化

4 懷柔水庫主壩監(jiān)測位移變化

懷柔水庫大壩在修建初始未設(shè)監(jiān)測設(shè)施，所有監(jiān)測設(shè)備均為后期補埋，其中主壩設(shè)有壩體變形觀測點。這些設(shè)施在水庫的運行管理中發(fā)揮了重要的作用。1988年，水庫提高防洪標準工程中對主壩進行了加高，原有的監(jiān)測設(shè)施不能繼續(xù)使用，在主壩加高工程完工后，重新埋設(shè)了水平位移觀測標點、垂直位移觀測標點。

圖2和圖3為懷柔水庫主壩最大斷面自1993年以來的垂直和水平位移變化情況。在圖2所示的運行期庫水位變化條件下，主壩沉降增量約為3cm，并且當前發(fā)展趨勢幾乎呈水平狀。主壩水平位移過程線在1998年有提升，最大水平位移增量近4cm，后續(xù)又回落，其余時間基本呈振蕩的形狀，但振蕩幅度較小，一般不超5mm。主壩最大斷面的位移監(jiān)測資料表明，在圖1所示的水位標高下，主壩的變形已基本穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)不良發(fā)展趨勢，安全性態(tài)正常。

運行期的水位決定了現(xiàn)行的監(jiān)測結(jié)果僅對應(yīng)于運行期所蓄水位條件下的主壩常態(tài)安全性態(tài)，對于正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位等特征水位條件下的非常態(tài)安全性態(tài)，在無相應(yīng)水位條件下的監(jiān)測資料時，需以現(xiàn)有水位及監(jiān)測資料為校正，通過數(shù)值計算的方法，對這些特征水位條件下的安全性態(tài)進行分析。

5 不同水位條件下的滲流性態(tài)變化

5.1 計算條件

滲流計算是穩(wěn)定計算的基礎(chǔ)，在滲流計算之初，在建立模型、確定計算參數(shù)、設(shè)定上下游底部邊界條件等時，不僅應(yīng)考慮滲流自身，還應(yīng)兼顧考慮后續(xù)穩(wěn)定計算的需求。

圖2 懷柔水庫主壩垂直位移過程線

圖3 懷柔水庫主壩水平位移過程線

在本次的滲流計算中，首先依據(jù)主壩最大斷面建立滲流計算模型，斷面的分區(qū)既參考最大斷面的實際分區(qū)情況，又兼顧穩(wěn)定性計算的需要，并且在有利滲流計算且結(jié)果不失真的前提下進行簡化。

選取合理的、具備代表性的滲透系數(shù)是保證滲流計算結(jié)果準確的前提。滲透系數(shù)的確定方法一般有2種，一種是通過試驗獲取；另一種是通過現(xiàn)場監(jiān)測到的水位，通過滲流反分析獲取。對于開展安全性評價的大壩，其已經(jīng)運行一段時間，往往也監(jiān)測到了壩體內(nèi)的水頭，這時可以通過滲流反分析來確定壩體各分區(qū)的滲流系數(shù)。但當壩體分區(qū)較多的情況下，單一水頭分析可能難以反分析出各個分區(qū)的滲透系數(shù)，這時應(yīng)以防滲體滲透系數(shù)的反分析為主。如果可行的條件下，也可通過試驗滲透系數(shù)及工程類比，對反分析的滲透系數(shù)作二次驗證。表1為本次滲流計算的參數(shù)。

表1 滲流計算參數(shù)

二維滲流計算時，確定計算模型的邊界及其條件，以不使壩體和壩基中的滲流狀態(tài)失真為原則。計算過程中，上游坡面依據(jù)不同計算工況設(shè)置相應(yīng)的水位邊界條件，下游坡面依據(jù)實際情況設(shè)計水位邊界條件，模型底部邊界多以不透水邊界處理。依托案例懷柔水庫的上游水位工況共考慮了4種，分別為當前蓄水位58.00m、正常蓄水位62.00m、設(shè)計洪水位64.16m和校核洪水位67.73m。

5.2 滲流性態(tài)分析

5.2.1 浸潤線與水力梯度

計算表明隨著庫水位的抬升，防滲體內(nèi)的浸潤線位置也不斷抬升，并且浸潤線的坡度越來越陡，越來越向防滲體下游側(cè)靠攏。

浸潤線坡度表征了水力梯度，浸潤線坡度越陡，防滲體內(nèi)水力梯度也就越大。水力梯度較大區(qū)域主要位于斜心墻下游側(cè)位置，并且隨著水位的抬升，防滲體內(nèi)的水力梯度也不斷增大。在校核洪水位內(nèi)，防滲體內(nèi)的水力梯度最大。大壩最大水力比降為5，位于斜心墻體內(nèi)，不會發(fā)生滲透破壞；斜心墻與反濾料接觸位置的最大水力比降為1.5，在反濾級配合理的條件下不會發(fā)生滲透破壞。從長期的運行情況看，大壩沒有發(fā)生過滲透破壞的跡象，斜墻防滲體起到了良好的防滲作用，下游測壓管內(nèi)實測水位也一直保持較低的位置水平，有利于壩體的穩(wěn)定。

5.2.2 單寬滲流量

大壩在當前蓄水位、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位四種工況下的單寬滲流量分別為2.4×10-6m3/（s·m）、3.2× 10-6m3/（s·m）、4.4×10-6m3/（s·m）和1.3×10-5m3/（s·m）。圖4為單寬滲流量隨水位標高的變化，從圖中可以看出，單寬滲流量與水位標高的變化呈正比，隨著水位標高的增加而增加。但在不同特征水位之間的單寬滲流量增幅比例卻是呈反比，隨著水位標高的增加而降低，其中以設(shè)計洪水位和校核洪水位之間的增幅比例最小，當前蓄水位與正常蓄水位之間的增幅比例最大。

圖4 單寬滲流量隨水位標高的變化

6 不同水位條件下的穩(wěn)定性態(tài)變化

6.1 計算條件

壩坡穩(wěn)定計算分析的斷面和計算工況與滲流分析相同，主要是分析最大斷面在當前蓄水位、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位4種工況下的上下游壩坡穩(wěn)定性，其中校核洪水位只考慮了上游壩坡的穩(wěn)定性。通過試驗結(jié)果、原設(shè)計勘察資料、此次安全評價地勘復(fù)核及工程類比綜合方法確定最終的計算參數(shù)，采用的具體強度指標見表2。

表2 穩(wěn)定計算參數(shù)

壩坡穩(wěn)定分析中水的作用主要考慮2種：一種是庫水的靜水壓力；另一種是壩體內(nèi)的浸潤線。庫水的靜水壓力依據(jù)水位標高設(shè)定，壩體內(nèi)的浸潤線位置依據(jù)滲流計算結(jié)果確定。

6.2 穩(wěn)定性態(tài)分析

6.2.1 最危險滑面

圖5～圖8分別為最大斷面在當前蓄水位、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位4種工況下的上下游壩坡最危險滑面的位置，其中校核洪水位只計算了下游壩坡最危險滑面的位置。對比可以看出，隨著庫水位的不斷抬升，上游壩坡最危險滑面的范圍不斷縮小，剪出口不斷隨著水位的抬升而抬升，始終略低于所蓄水位。這是因為庫水抬升后，庫水的靜水壓力作用及壩體內(nèi)部浸潤線影響了上游壩體的受力，從而影響了最危險滑面的位置。不同水位條件下，下游壩坡的最危險滑面位置幾乎不變，均是從上游壩頂處剪入，下游壩腳處剪出，這是因為庫水位抬升僅改變了壩體上游側(cè)的浸潤線，而對下游側(cè)的浸潤線影響較小。

圖5 主壩穩(wěn)定性計算結(jié)果（當前蓄水位）

圖6 主壩穩(wěn)定性計算結(jié)果（正常蓄水位）

圖7 主壩穩(wěn)定性計算結(jié)果（設(shè)計洪水位）

圖8 主壩穩(wěn)定性計算結(jié)果（校核洪水位）

6.2.2 安全系數(shù)

主壩計算斷面上游坡在當前蓄水位、正常蓄水位和設(shè)計洪水位3種工況下的安全系數(shù)分別為3.58、4.42和5.48，圖9為上游壩坡安全系數(shù)隨水位標高的變化。從圖中可以看出，隨著庫內(nèi)水位的抬升，上游壩坡的安全系數(shù)不斷增加，但增幅比例不斷降低。由此可以看出，庫內(nèi)水位的抬升，影響了上游壩坡的受力影響，從而也影響了其最危險滑面位置及相應(yīng)的安全系數(shù)。下游壩坡在當前蓄水位、正常蓄水位和設(shè)計洪水位3種工況下的安全系數(shù)基本相同為2.45，這是因為庫水升高只對斜墻防滲體內(nèi)的浸潤線有影響，而由于壩殼砂礫石料的透水性大，下游壩坡內(nèi)的浸潤線位置變幅很小，因此影響不到下游坡的穩(wěn)定。下游壩坡在校核洪水位條件下的安全系數(shù)略有降低為2.44，這是因為在校核洪水位條件下，上游側(cè)浸潤線略微進入了最危險滑面內(nèi)，從而局部影響了有效應(yīng)力的分布。各種水位條件下，主壩下游壩坡安全系數(shù)幾乎沒有變化是因為庫水升高只對斜墻防滲體內(nèi)的浸潤線有影響，而由于壩殼砂礫石料的透水性大，下游壩坡內(nèi)的浸潤線位置變幅很小，因此影響不到下游坡的穩(wěn)定。

圖9 上游壩坡安全系數(shù)隨水位標高的變化

7 結(jié)論

滲透破壞和壩坡失穩(wěn)是我國大壩潰決的2個主要誘因，因此滲流與穩(wěn)定是大壩安全評價和運行管理中的2個主要方面。懷柔水庫建庫后沒有發(fā)生大洪水，現(xiàn)有的監(jiān)測資料所對應(yīng)的水位大部分在57.0m上下運行，低于正常蓄水位62.00m，相應(yīng)的監(jiān)測資料不能反應(yīng)出正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位等特征水位條件下的主壩非常態(tài)安全性態(tài)，因此本文基于已有監(jiān)測資料，通過數(shù)值計算，對特征水位條件下的滲流與穩(wěn)定性態(tài)進行了分析。

滲流計算是穩(wěn)定計算的基礎(chǔ)，在滲流計算流程中應(yīng)兼顧考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算的需求，滲透系數(shù)應(yīng)視條件依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測到的水位進行反分析確定。但當壩體分區(qū)較多的情況下，單一水頭分析可能難以反分析出各個分區(qū)的滲透系數(shù)，這時應(yīng)以防滲體滲透系數(shù)的反分析為主。

在當前蓄水位、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位4種水位條件下，隨著庫水位的抬升，斜心墻內(nèi)的浸潤線位置也不斷抬升，并且浸潤線的坡度越來越陡，越來越向心墻下游側(cè)靠攏。水力梯度較大區(qū)域主要位于斜心墻下游側(cè)位置，并且隨著水位的抬升，斜心墻內(nèi)的水力梯度也不斷增大。在校核洪水位條件下，防滲體內(nèi)的水力梯度最大。大壩最大水力比降為5，位于斜心墻體內(nèi)，不會發(fā)生滲透破壞。斜心墻與反濾料接觸位置的最大水力比降為1.5，在反濾級配合理的條件下不會發(fā)生滲透破壞。

隨著庫水位的不斷抬升，上游壩坡最危險滑面剪出口不斷抬升，安全系數(shù)不斷增加，這是因為庫水抬升后，庫水的靜水壓力作用及浸潤線影響了上游壩體的受力，從而影響了最危險滑面的位置及相應(yīng)的安全系數(shù)。隨著庫水位的不斷抬升，下游壩坡最危險滑面及安全系數(shù)變化較小。這是因為庫水升高主要影響了斜心墻內(nèi)的浸潤線，由于壩殼砂礫石料的透水性大，下游壩坡內(nèi)的浸潤線位置變幅很小，因此對下游壩坡的最危險滑面及安全系數(shù)的影響較小。

在水庫日常運行管理及應(yīng)急管理中，水庫的滲流與穩(wěn)定性態(tài)隨水位的演化是日常巡視的關(guān)注點，也是管理中一些措施制定的出發(fā)點。通過對懷柔水庫黏土斜心墻壩在不同水位條件下的滲流與穩(wěn)定性態(tài)變化分析，不僅可以從管理的角度掌握大壩在常態(tài)和非常態(tài)時的運行性態(tài)，從不同水位條件下的滲流出口、滑面位置等角度出發(fā)，在日常管理中確定現(xiàn)場大壩巡視時的重點部位，確定重點監(jiān)測位置，還可以在應(yīng)急管理時根據(jù)滑面的剪出口確定臨時反壓位置等。

【1】解家畢，孫東亞.全國水庫潰壩統(tǒng)計及潰壩原因分析[J].水利水電技術(shù)，2009，40(12)：124-128.

【2】張利民，徐耀，賈金生.國外潰壩數(shù)據(jù)庫[J].中國防汛抗旱，2007（增刊）：2-12.

【3】覃友中.大壩安全評價的現(xiàn)狀及其發(fā)展要求[J].四川水力發(fā)電，1996，15（4）：14-20.

【4】黃其愚.大壩安全評價簡述[J].大壩與安全，1995（31）：8-15.

【5】SL258-2000水庫大壩安全評價導(dǎo)則[S].

Seepage and StabilityAnalysis of Clay Core Dam under DifferentHydraulic

HAOLi-juan1,ZHAOLi-ting1,DUYun-long1,LIWei-chao2
（1.Beijingjing-miWaterDiversionManagementOffice,Beijing101400，China；2.ChinaWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Beijing100048，China)

In the statistics of damfailure, seepage failure and damslope stability are the twomost common causes, and the seepageandstabilityare the twomaincontents inthe safetyevaluation andmanagement of the dam.Taken themain damofHuairou reservoir asanexample, at first, thedeformation of thedamintheoperationwasanalyzed, following, steadyseepage simulationswere carried out toinvestigate the seepageperformanceofdamunderdifferentwater levels, such as currentwater level, normalwater level, designed floodlevel and check flood level. Based on seepage simulation changing of location of water table, leakage and hydraulic gradient withincreasing of water level were investigated. With the computed water table, the stability of dam under corresponding hydraulicconditionswascalculatedbylimit equilibriummethod, the changingof factor of safetyand location of the slidingcirclewith increasingof water level was investigated. This study not only lay the foundation for the seepage stability assessment and structural stabilityassessmentofHuairoureservoir, but also provide reference for the safetyevaluationofearth rockdamunder similar conditions.

seepage failure; damslope stability; safetyevaluation

TV641.2+2;TV641.2+6

A

1007-9467（2016）12-0106-05

郝麗娟（1970～），女，北京人，高級工程師，從事水利工程管理與研究。