庫水位驟降期深圳水庫壩坡穩(wěn)定分析

劉嬋玉

0 前言

庫水位驟降會導(dǎo)致壩坡穩(wěn)定性降低[1]。近些年，已有很多學(xué)者對自然邊坡和構(gòu)造邊坡在庫水位驟降條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了廣泛研究[2-3]。深圳水庫是以供水、防洪為主的水利工程[4]，作為廣東省東江～深圳供水工程（以下簡稱東深工程）供水香港的重要水源，水位驟降條件下壩坡的穩(wěn)定，對于深圳水庫的供水穩(wěn)定和安全意義重大。

1964年初深圳水庫被納入東深工程，1965年3月正式對港供水。由于香港和深圳的用水需求不斷增加，東深工程分別于1973～1994年間進(jìn)行了三次擴(kuò)建。期間對深圳水庫主壩采取了增建塑性混凝土防滲墻措施。由于缺乏防滲墻材料試驗的滲透參數(shù)，文章擬合得到深圳水庫主壩各層土體及防滲墻的滲透系數(shù)，在此基礎(chǔ)上選取典型計算斷面進(jìn)行滲流分析。

1 水庫概況

深圳水庫位于深圳市東北約3 km，壩址處在深圳河流域的最大支流沙灣河下游，正常蓄水位27.60 m，相應(yīng)庫容3348.41 萬m3，設(shè)計洪水位（P=1%）28.83m，相應(yīng)庫容3854.72萬m3，校核洪水位（P=0.05%）為30.24 m，總庫容為4496.56萬m3。

本文重點研究主壩在庫水位驟降過程中上、下游壩坡的穩(wěn)定。主壩為塑性混凝土防滲心墻土壩，壩頂高程31.50 m，壩頂寬度7 m，最大壩高25.50 m，壩長630 m，迎水面壩坡1∶3及1∶2，背水面壩坡1∶2～1∶3。壩腳設(shè)排水棱體與壩腳反濾溝相連，壩基為6 m～6.5 m的粉砂及砂卵石沖積層，下伏強(qiáng)風(fēng)化千枚巖和石英砂巖。

2 穩(wěn)定分析思路和計算工況

2.1 穩(wěn)定分析思路

2.1.1 滲流分析

首先選取深圳水庫2007～2014年壩前水位及其對應(yīng)的實測測壓管水位數(shù)據(jù)復(fù)核主壩1#典型斷面的滲流穩(wěn)定，通過各斷面測壓管水位連線所得出的浸潤線與計算浸潤線進(jìn)行擬合反演推算，參照《深圳水庫安全鑒定工程地質(zhì)勘察報告》[5]中不同材料滲透系數(shù)的推薦取值范圍，經(jīng)過不斷調(diào)整各材料滲透系數(shù)，使計算浸潤線與實測浸潤線擬合，對大壩各材料的滲透系數(shù)進(jìn)行修正，更好的反映壩體實際滲透性。

然后利用上述反演分析得出的修正滲透系數(shù)，對主壩1#典型斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

最后，選取主壩2#典型斷面（與1#典型斷面鄰近）并對其進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。同時，對比兩典型斷面相同工況下單寬滲流量是否接近，以此推斷修正滲透系數(shù)是否合理。

2.1.2 穩(wěn)定分析

根據(jù)《深圳水庫安全鑒定工程地質(zhì)勘察報告》[5]和現(xiàn)場檢查情況所選取2#典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析。

2.2 計算程序

本次滲流復(fù)核計算采用有限元法按二維平面問題進(jìn)行計算，計算軟件采用北京理正軟件設(shè)計研究院開發(fā)的《理正巖土計算6.0版》的《滲流分析計算》進(jìn)行。

本次穩(wěn)定復(fù)核計算采用河海大學(xué)《autobank7.061》計算軟件，假設(shè)沿圓弧滑裂面滑動破壞，對不同的工況組合，按計及條塊間作用力的簡化畢肖普法進(jìn)行分析計算。浸潤線采用《深圳水庫土壩滲流安全復(fù)查報告》[6]中有關(guān)成果。

2.3 計算工況及特征水位

2.3.1 滲流分析

對典型斷面進(jìn)行滲流分析，計算工況主要考慮非常運行條件校核水位對應(yīng)的情況：

1）上游校核洪水位與下游相應(yīng)的最低水位；

2）上游校核洪水位降落至正常蓄水位（降落所需時間13小時）。

2.3.2 穩(wěn)定分析

對典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析，計算工況參考《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[7]結(jié)合深圳水庫運行調(diào)度過程中經(jīng)常出現(xiàn)運行工況，選取以下庫水位驟降典型工況。

1）上游正常蓄水位驟降至溢洪道底高程水位組合時上游壩坡穩(wěn)定分析（27.6 m降至22.4 m，溢洪道底高程為22.4 m，水位差5.2 m，降落所需時間20小時）。

2）上游設(shè)計洪水位驟降至正常蓄水位組合時上游壩坡穩(wěn)定分析（29.07 m降至27.6 m，水位差1.47 m，降落所需時間8小時）。

3）上游校核洪水位驟降至正常蓄水位組合時，上游壩坡穩(wěn)定分析（30.29 m降至27.6 m，水位差2.69 m，降落所需時間13小時）。

2.3.3 特征水位

特征水位見表1。

表1 深圳水庫特征水位表

2.4 計算斷面與計算參數(shù)

1）1#典型斷面和2#典型斷面分別如圖1、圖2。

圖1 主壩1#典型計算斷面

圖2 主壩2#典型計算斷面

2）滲流分析計算中的土體滲透系數(shù)見表2。

表2 主壩土體滲透系數(shù)表

3）穩(wěn)定分析計算中的土體物理力學(xué)參數(shù)。按規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[7]中第8.3.5條規(guī)定，本工程的工程等別為Ⅱ等，主要建筑物為2級，壩體與地基的土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用三軸儀測定。由于壩體土料為粘性土，故對于穩(wěn)定滲流期應(yīng)采用土體的三軸抗剪有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，而對于庫水位降落期則同時采用土體的三軸抗剪有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與三軸抗剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，即強(qiáng)度計算方法應(yīng)分別采用有效應(yīng)力法與總應(yīng)力法。這次計算采用的壩體土料物理力學(xué)指標(biāo)參照《深圳水庫安全鑒定工程地質(zhì)勘察報告》[5]，詳見表3（壩后坡堆石因無法取樣指標(biāo)為經(jīng)驗值）。

表3 本次安全鑒定壩體物理力學(xué)參數(shù)表

3 計算結(jié)果分析

3.1 滲流計算結(jié)果

3.1.1 材料滲透系數(shù)的修正

根據(jù)2007～2014年實測壩前水位及對應(yīng)測壓管水位資料[4]進(jìn)行分析可知，壩前水位主要在24.96 m～28.35 m的區(qū)間范圍內(nèi)變動，本次為了分析的方便及計算的統(tǒng)一性，選擇正常蓄水位27.6 m對應(yīng)的測壓管水位浸潤線作為反演分析的擬合標(biāo)準(zhǔn)。選擇時考慮監(jiān)測時段前后無降水且水位相對穩(wěn)定時段的實測浸潤線作為典型。

通過反演分析計算1#典型斷面浸潤線與實測測壓管浸潤線對比如圖3所示。反演分析確定的各材料的修正滲透系數(shù)見表4。

圖3 主壩1#典型斷面浸潤線與實測測壓管浸潤線對比圖

表4 主壩各層土體修正滲透系數(shù)表

3.1.2 主壩1#典型斷面的滲流分析

利用上節(jié)反演分析得出的大壩各材料的修正滲透系數(shù)來復(fù)核主壩1#典型斷面的滲流穩(wěn)定，計算工況主要考慮非常運行條件校核水位對應(yīng)的情況。主壩1#典型斷面校核計算工況浸潤線計算成果見圖4、圖5。校核工況單寬滲流量計算成果見表5。

1）由圖4可知，浸潤線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降。

2）由圖5可知，浸潤線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降，庫水位從上游校核洪水位降落至正常蓄水位過程中（降落所需時間13小時），浸潤線存在明顯下降趨勢。

表5 主壩1#典型斷面校核工況單寬滲流量成果表

圖4 主壩1#典型斷面校核洪水位穩(wěn)定滲流浸潤線圖

圖5 主壩1#典型斷面校核洪水位水位降落浸潤線圖

3.1.3 主壩2#典型斷面的滲流分析

利用前述反演分析得出的修正滲透系數(shù)（詳見表4）來復(fù)核主壩2#典型斷面的滲流穩(wěn)定。主壩2#典型斷面各工況浸潤線計算成果見附圖6～附圖7。主壩各工況單寬滲流量計算成果見表7。

1）由圖6可知，浸潤線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降。

2）由圖7可知，浸潤線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降，庫水位從上游校核洪水位降落至正常蓄水位過程中（降落所需時間13小時），浸潤線存在明顯下降趨勢。

3）由表5和表6可知，主壩1#典型斷面和主壩2#典型斷面在各工況下單寬滲流量計算成果比較接近。認(rèn)為反演分析得到壩體各層新的修正滲透系數(shù)可以反映壩體實際滲透性。

表6 主壩2#典型斷面剖面各工況單寬滲流量成果表

圖6 主壩2#典型計算斷面校核洪水位穩(wěn)定滲流浸潤線圖

圖7 主壩2#典型計算斷面校核洪水位水位降落浸潤線圖

3.2 穩(wěn)定計算結(jié)果

本次計算所選主壩2#典型斷面壩坡穩(wěn)定計算成果見表7。各工況下主壩2#典型斷面壩坡穩(wěn)定計算成果見圖8～圖10。由表7可知，深圳水庫主壩2#典型斷面在庫水位驟降典型工況下，上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)受庫水位下降速率影響，庫水位下降速率越大，上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)越小。

圖8 主壩2#典型計算斷面正常蓄水位水位降落期壩體穩(wěn)定計算

圖9 主壩2#典型計算斷面設(shè)計水位水位降落期壩體穩(wěn)定計算

表7 主壩壩坡抗滑穩(wěn)定分析成果表

4 結(jié)論與建議

1）根據(jù)滲流計算結(jié)果可知：浸潤線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降，表明土壩的防滲墻效果良好；

2）反演分析得到主壩各層的修正滲透系數(shù)可以反映壩體實際滲透性；

3）對主壩0+224斷面進(jìn)行不同工況下的滲流穩(wěn)定和壩坡穩(wěn)定計算分析，計算安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，壩體滲流穩(wěn)定性、壩坡穩(wěn)定性良好。

4）上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)受庫水位下降速率影響，庫水位下降速率越大，上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)越小。

圖10 主壩2#典型計算斷面校核洪水位水位降落期壩體穩(wěn)定計算

[1]劉釗,柴軍瑞,陳興周,徐維生.庫水位驟降時壩體滲流場及壩坡穩(wěn)定性分析[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2011(27)：466-470.

[2]劉新喜,夏元友,張顯書，等.庫水位下降對滑坡穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(8)：1439-3444.

[3]賈蒼琴,黃茂松，王貴和，等.水位驟降對土坡穩(wěn)定性的影響分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，36(3)：304-309.

[4]深圳水庫大壩安全鑒定報告(2014)[R].

[5]深圳水庫安全鑒定工程地質(zhì)勘察報告(2014)[R].

[6]深圳水庫土壩滲流安全復(fù)查報告(2014)[R].

[7]SL 274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].