水位驟降下面板堆石壩上游蓋重區(qū)穩(wěn)定性分析

方致遠 何佳卓 張凱 張凱馨

摘要：混凝土面板堆石壩上游側常設置鋪蓋及蓋重區(qū)，特殊情況下該區(qū)產(chǎn)生滑坡將對面板止水結構造成破壞，影響壩體滲透穩(wěn)定和結構穩(wěn)定。我國西北地區(qū)某混凝土面板堆石壩工程因?qū)Я鞫词鹿识斐蓭焖辉?6h內(nèi)驟降約100m，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結構破損。為此，利用非圓弧滑動計算方法，對該事故進行模擬計算，結果表明：止水結構的破壞主要是上游鋪蓋與蓋重區(qū)在滲流力作用下產(chǎn)生沿面板表面的滑坡，滑動面上碎石等堆渣材料與止水結構產(chǎn)生摩擦所致；面板上鋪蓋與蓋重區(qū)滑動范圍在高程638.76～680.98m間，滑坡堆積體以下11m范圍內(nèi)的止水仍存在破壞可能。在除險加固工程中著重對該險情進行處理，采取了對該蓋重區(qū)進行滲流控制以及滲流量監(jiān)測的工程措施，保障該工程安全運行。

關鍵詞：面板堆石壩；庫水位驟降；鋪蓋與蓋重區(qū)；杭滑穩(wěn)定

中圖分類號：TV641.4+3 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.024

面板堆石壩對復雜地形地質(zhì)條件和惡劣氣候均有很強的適應性，工程量較小，建設速度快，因此在國內(nèi)外應用較廣[1]。面板堆石壩一般以經(jīng)驗設計的方法進行建造[2]，在100m以上的高壩中[3-5]，面板上游側常設置鋪蓋及蓋重區(qū)[6]。該區(qū)一般由具有一定防滲能力的級配連續(xù)土填筑的鋪蓋和任意料蓋重組成，起到輔助防滲功能。由于設置目的為防滲，因此其穩(wěn)定性只需滿足一般性要求即可，但若特殊情況下該區(qū)產(chǎn)生滑坡，將會對面板止水結構造成破壞，影響壩體滲透穩(wěn)定和結構穩(wěn)定。我國西北地區(qū)某混凝土面板堆石壩工程，因?qū)Я鞫词鹿识斐蓭焖辉?6h內(nèi)驟降約100m，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結構破損。本文利用非圓弧滑動計算方法，對該事故進行了模擬，分析了滑坡成因，確定了滑坡造成的止水破壞范圍，以期為指導工程修復提供參考。

1 計算原理及方法

本次對上游蓋重及鋪蓋料滑坡的計算采用河海大學工程力學研究所開發(fā)的壩坡抗滑穩(wěn)定分析計算Au-tobank軟件。該軟件遵照現(xiàn)行《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-2001）[7]有關穩(wěn)定安全計算的若干規(guī)定，提供可用于土石壩、面板堆石壩、堤防、一般土質(zhì)邊坡、尾礦壩穩(wěn)定計算的方法有瑞典圓弧法[8]、簡化畢肖普法[9]、摩根斯頓一普萊斯法[10]等。水位驟降情況下鋪蓋及蓋重料滑動形式為非圓弧滑動，故采用摩根斯頓一普萊斯法，計算公式如下：式中：x為土條寬度；q為坡頂外部的垂直荷載；W為土條質(zhì)量；p（x）為土條底部滑動面上各作用力在滑動面上的合力垂直方向的分量；s（x）為土條滑動面上的合力到土條底部中點的水平距離；a、b分別為整個滑動土體區(qū)域在水平向坐標的下限、上限；Me為水平地震慣性力對土條底部中點的力矩；α為條塊底面與水平面的夾角；u為孔隙水壓力；Q、V分別為土條的水平和垂直地震慣性力（向上為負，向下為正）；β為土條側面的合力與水平方向的夾角；ζ為x方向的微積分替代量；t（二）為垂直于土條推力方向的力臂；he為水平地震慣性力到土條底面中點的垂直距離；c'e、φ'e為采用摩根斯頓一普萊斯法計算的土體抗剪強度指標的修正值；K為安全系數(shù)；c'、φ'為有效應力強度參數(shù)指標。

2 工程實例

2.1 工程概況

我國西北地區(qū)某水電站工程由攔河壩、導流洞、深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)以及電站廠房等組成。攔河壩采用混凝土面板堆石壩，為1級建筑物。壩頂高程756.3m，壩頂寬度為8.0m，壩長446.0m，最大壩高140.3m。上游壩坡坡比為1：1.5，下游壩坡上壩公路間坡比為1：1.3，最大斷面下游平均坡比約為1：1.7。面板頂部厚0.3m，底部最大厚度為0.75m，河床部位面板寬12m，岸坡部位寬6m。面板下部采用平趾板，趾板建在弱風化基巖上。周邊縫設三道止水，依次為GB填料、GB止水條、止水銅片；面板張性縫設置橡膠、銅片兩道止水；面板壓性縫設一道銅片止水。

混凝土面板堆石壩壩料從上游至下游分為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、堆石料區(qū)。該電站水庫下閘蓄水初期，當庫水位上升至737.00m時，導流洞封堵閘門失控，庫水下泄，泄水流量達1094m3/s，庫水位在56h內(nèi)驟降約100m，導致壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌。

2.2 上游鋪蓋與蓋重區(qū)滑坡情況

上游鋪蓋與蓋重區(qū)頂高程為695.00m，頂寬11.0m。內(nèi)層為頂寬3.0m、上游坡比為1：1.5的鋪蓋料，作用是形成面板上游的防滲補強區(qū)，并與特殊墊層區(qū)聯(lián)合淤堵開裂周邊縫、實現(xiàn)自愈功能。上游蓋重區(qū)位于上游鋪蓋區(qū)外側，頂寬8.0m，上游坡比為1：1.8，作用是穩(wěn)定上游鋪蓋區(qū)邊坡，主要是將開挖棄渣等任意粗粒料利用運輸和推平設備自然壓實，不進行專門碾壓。面板分縫布置見圖1。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，面板上游側鋪蓋及蓋重區(qū)滑塌對面板河床段止水造成損壞，統(tǒng)計如下：①21、22號面板間表層止水蓋板破壞長度約1.0m；②22、23號面板間表層止水蓋板破壞長度約30cm；03 23、24號面板間表層止水蓋板破壞長度約20cm；④25、26號面板間表層止水蓋板撕裂小口長度約15cm；（5）27，28號面板間表層止水擠壓變窄、扁鋼脫落，長度約6.0m；⑥28、29號面板間表層止水高程695.00m以下存在5處蓋板撕裂小口；⑦31、32號面板間表層止水擠壓變窄、蓋板撕裂，長度約5.0m；⑧32、33號面板間表層止水蓋板撕裂、變窄，局部壓平，長度共計約20.0m；⑨33、34號面板間表層止水蓋板撕裂、擠壓變窄，長度約12.0m；⑩34、35號面板間表層止水蓋板撕裂、擠壓變窄；11左岸周邊縫沿趾板方向接頭脫落，B型縫接頭變窄。

3 計算方案

3.1 計算參數(shù)

面板上游側鋪蓋土料采用C2料場表層土，為洪積黃土狀低液限粉土，中等壓縮性，在鋪筑過程中未進行專門碾壓，只利用鋪筑設備自重進行壓實。根據(jù)現(xiàn)場施工過程照片判斷，土料抗剪強度不會太高，參照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-2001）附錄D穩(wěn)定分析中對庫水位降落期抗剪強度取值的說明，庫水位降落期抗剪強度應采用若干組試驗成果中的下包線，本次計算所用鋪蓋土料抗剪強度參數(shù)為水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院（下文簡稱新疆院）提供的C2料場土料物理力學性質(zhì)試驗中C2-TJ4-1試樣試驗結果（見表1）。C2-TJ4-1試樣取自C2料場表層土，具有代表性，同時該試樣飽和含水狀態(tài)下黏聚力是所有試驗中最低的，滿足《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-2001）對水位驟降工況下土料抗剪強度選取的要求。

面板上游側蓋重料主要由堆石開挖棄渣等任意料填筑，其在鋪筑過程中亦未進行專門碾壓，抗剪強度亦不會太高。蓋重區(qū)抗剪強度參數(shù)與鋪蓋料抗剪強度指標選取原則一致，參考C2-TK11試樣試驗結果（見表2），取樣深度為1.8～3.2m，其力學試驗控制密度為密實狀態(tài)下的密度，但填筑過程中未進行專門碾壓，故蓋重料最終計算采用的抗剪強度指標為在新疆院提供的砂礫料飽和抗剪強度指標基礎上根據(jù)天然狀態(tài)干密度與緊密狀態(tài)干密度比值換算得來的值。

鋪蓋土料與面板間抗剪強度指標參考《擋土墻設計規(guī)范》（SL379-2007）中關于擋土墻基礎與黏性土地基間黏聚力C0和內(nèi)摩擦角φ0的說明選?。?/p>

φ0=0.9φ（9）

C0=（0.20～0.30）C（10）式中：φ為鋪蓋土料室內(nèi)飽和固結快剪試驗測得的內(nèi)摩擦角，（°）；C為鋪蓋土料室內(nèi)飽和固結快剪試驗測得的黏聚力，kPa。

綜上分析，面板上游側鋪蓋與蓋重區(qū)土料分區(qū)物理力學性質(zhì)指標見表3。

3.2 計算工況及斷面

根據(jù)庫水位驟降實際情況，計算工況取庫水位由737.00m驟降至637.00m，時間為56h。根據(jù)鋪蓋分布情況選取了樁號0+261.00（河床段）斷面、0+159.69（左岸）斷面和0+330.42（右岸）斷面進行面板上游側鋪蓋滑坡計算分析。

4 計算結果分析

表4為各計算斷面滑弧情況統(tǒng)計，圖2～圖4分別為0+261.00（河床段）斷面、0+159.69（左岸）斷面和0+330.42（右岸）斷面滑坡情況。

從圖2可以看出，庫水位降落過快，上游蓋重與鋪蓋區(qū)內(nèi)浸潤線無法及時隨水位降低而降低，尤其是主要成分為亞黏土的鋪蓋區(qū)仍處于飽和狀態(tài)，在滲流力的作用下，滑弧安全系數(shù)為0.875，該滑弧內(nèi)土體必然滑動。高程638.76～680.98m間滑弧內(nèi)土體沿著面板與鋪蓋區(qū)接觸面滑動，造成該區(qū)域內(nèi)面板止水發(fā)生一定程度的破壞。高程680.98m至鋪蓋頂面間滑弧在蓋重與鋪蓋區(qū)內(nèi)穿過，該段滑弧長約14m，在現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，面板上游側鋪蓋及蓋重區(qū)土體發(fā)生滑塌，上游側鋪蓋頂以下10～15m范圍內(nèi)仍覆蓋有鋪蓋土料，說明滑弧起始自鋪蓋土內(nèi)，然后沿著面板滑動。高程638.76m以下滑弧亦從鋪蓋土體內(nèi)經(jīng)過?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)最終鋪蓋頂面高程約為650.00m，是上部滑坡體在壩腳處形成堆積體造成的，滑弧位置表明河床段638.76m高程以下因為基本未受滑坡擾動，所以面板止水破壞可能性較小。638.76～650.00m高程段止水仍然存在發(fā)生較大破壞的可能性，但當前壩前鋪蓋已回填，且已初步蓄水，建議運行中加強滲流量監(jiān)測。

從圖3可以看出，該斷面滑弧分布情況與0+261.00斷面類似，自鋪蓋及蓋重區(qū)頂高程以下約8.0m范圍內(nèi)滑弧穿過蓋重區(qū)。高程664.55～686.71m范圍內(nèi)滑弧自面板與鋪蓋土料接觸面經(jīng)過，對該段面板止水造成一定程度的破壞。高程664.55m以下滑弧仍自鋪蓋及蓋重區(qū)內(nèi)經(jīng)過，該高程以下面板止水受擾動較小，破壞可能性較小。

從圖4可以看出，0+330.42斷面上滑弧仍然自鋪蓋與蓋重區(qū)經(jīng)過，中間區(qū)段自鋪蓋土料與面板接觸面經(jīng)過。該斷面鋪蓋及蓋重料填筑范圍為高程677.20-695.00m，范圍相對較小，因此經(jīng)面板的滑弧長度較小。

5 結語

利用非圓弧滑動計算方法，對我國西北地區(qū)某混凝土面板堆石壩工程因?qū)Я鞫词鹿识斐蓭焖辉?6h內(nèi)驟降約100m，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結構破損事故進行了模擬，分析了滑坡成因，確定了滑坡造成的止水破壞范圍，得出如下結論。

（1）庫水位在56h內(nèi)驟降約100m過程中，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結構破損。其原因是上游鋪蓋與蓋重區(qū)在滲流力作用下產(chǎn)生沿面板表面的滑坡，滑動面上碎石等堆渣材料與止水結構產(chǎn)生摩擦對其造成破壞。

（2）在庫水位驟降工況下，面板上鋪蓋與蓋重區(qū)滑動范圍在高程638.76～680.98m間，滑坡堆積體以下11m范圍內(nèi)的止水仍存在破壞可能。建議運行過程中加強滲流量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

（3）該水庫于2016年下半年進行除險加固：①對上游鋪蓋與蓋重區(qū)面板止水結構進行修復；②對上游庫水位變化區(qū)面板進行錨固處理；③在上游處設置排水帷幕；④對關鍵部位加強滲流量監(jiān)測。該工程除險加固后運行至今，運行表現(xiàn)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明上述處理措施合理，能達到預期效果。

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