庫(kù)水位驟降下土石壩損傷評(píng)價(jià)與管理對(duì)策

韓國(guó)波 張麗華 杜巖 鄭孝婷 劉日成

摘要：庫(kù)水位的快速下降會(huì)造成土石壩上游坡面產(chǎn)生損傷，這是威脅中小型土石壩安全運(yùn)行的因素之一。大量研究表明，土石壩在庫(kù)水位下降時(shí)，上游坡面的安全性會(huì)大大降低，產(chǎn)生累積損傷，降低大壩的使用壽命。以大伙房水庫(kù)土石壩為例，在不同水位降速情況下對(duì)其坡面進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：水位降速越快損傷越嚴(yán)重，控制水位下降速度和幅度可有效規(guī)避損傷的發(fā)生。通過(guò)設(shè)置3級(jí)水位下降閾值指標(biāo)，即輕度損傷、中度損傷和重度損傷控制指標(biāo)，可為土石壩安全運(yùn)行提供參考，該方法操作簡(jiǎn)單，可有效減少土石壩在水位驟降時(shí)的壩體坡面累積損傷，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：土石壩;水位驟降;損傷;水位下降閾值指標(biāo);大伙房水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV698.2⁺3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行的土石壩在庫(kù)水位驟降時(shí)，壩體內(nèi)部孔隙水壓力來(lái)不及消散，水分向上游坡面溢出，從而在壩坡滲透力作用下可能發(fā)生損傷，降低土石壩的安全性。每一次庫(kù)水位驟降造成的損傷效應(yīng)可能不顯著，但多次重復(fù)庫(kù)水位驟降后，損傷效應(yīng)可能會(huì)累積性發(fā)展[1]。20世紀(jì)，江西、湖北等地的多個(gè)水庫(kù)在泄洪或水位驟降時(shí)產(chǎn)生上游坡面損傷和破壞，造成較大損失。陳祖煜[2]認(rèn)為庫(kù)水位降落時(shí)黏性土的抗剪強(qiáng)度由庫(kù)水位降落前的法向有效應(yīng)力決定，水位下降期大壩的安全系數(shù)會(huì)大大降低，有可能產(chǎn)生坡面損傷破壞;岳慶河等[3]研究表明飽和滲透系數(shù)相同時(shí)，庫(kù)水位降落速度越快則上游壩坡穩(wěn)定性越差;王東林等[4]采用理正分析軟件進(jìn)行非恒定滲流分析計(jì)算和邊坡穩(wěn)定分析，研究不同庫(kù)水位降落速度、壩體滲透系數(shù)和給水度條件下均質(zhì)土壩非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的變化規(guī)律，驗(yàn)證了把k/μv（其中：k為滲透系數(shù)聲為給水度，v為降水速度）作為庫(kù)水位降落快慢的指標(biāo)來(lái)判別壩坡穩(wěn)定的合理性;時(shí)鐵城等[5]基于Geo-slope軟件對(duì)壩坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，認(rèn)為當(dāng)庫(kù)水位驟降時(shí)，壩體內(nèi)部的孔隙水壓力往往不能馬上消散，因此應(yīng)按設(shè)計(jì)的庫(kù)水位降落速度予以控制;于滿滿等[6]針對(duì)某土石壩進(jìn)行研究，得出水庫(kù)大壩斷面浸潤(rùn)線的黃色和紅色預(yù)警指標(biāo);張旭等[7]通過(guò)建立滲流場(chǎng)一應(yīng)力場(chǎng)的流固耦合計(jì)算模型，揭示了孔隙水壓力差的不斷變化直至減弱消散以及浸潤(rùn)線滯后庫(kù)水的時(shí)間效應(yīng)。雖然在基于非飽和滲流模型的土石壩安全評(píng)價(jià)、滲流與安全系數(shù)關(guān)系方面取得了很多成果，但是對(duì)土石壩上游壩坡?lián)p傷評(píng)價(jià)和對(duì)策研究還有待進(jìn)一步深入。事實(shí)上，巖土體在不利應(yīng)力環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生累積損傷，進(jìn)而產(chǎn)生破壞[8]。因此，對(duì)庫(kù)水位下降過(guò)程中的土石壩損傷進(jìn)行控制，減少水位驟降產(chǎn)生的壩體坡面損傷，是目前提升土石壩運(yùn)維管理水平的重要手段。本研究以大伙房土石壩為例，基于非飽和滲流模型，引入損傷系數(shù)，在不同水位工況下進(jìn)行壩坡?lián)p傷評(píng)價(jià)分析，確定不同水位驟降速率下庫(kù)水位控制閾值指標(biāo)，以期為工程運(yùn)維管理提供參考。

1 工程概況及工況條件

大伙房水庫(kù)位于遼寧省渾河中上游，是渾河干流上的控制性骨干工程，于1954年4月正式開(kāi)工，1958年9月竣工。水庫(kù)按防御千年一遇洪水設(shè)計(jì)、萬(wàn)年一遇洪水校核、可能最大暴雨復(fù)核，設(shè)計(jì)洪水位136.0m，最高洪水位138.8m，正常蓄水位131.5m，防洪限制水位126.4m。壩體類(lèi)型為黏土心墻砂殼壩，壩長(zhǎng)1367.0m，最大壩高49.2m，壩頂高程139.2m，防浪墻頂高程140.2m，黏土心墻頂高程136.8m，壩頂寬8.0m。壩體模型如圖1所示，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1 速降指標(biāo)

目前，研究水庫(kù)水位驟降的通用評(píng)價(jià)指標(biāo)為k/μv，反映土石壩壩體內(nèi)孔隙水降落速度與水庫(kù)水位降落速度之間的比值關(guān)系。

當(dāng)k/μv→0時(shí)，壩體內(nèi)自由水面在庫(kù)水位下降過(guò)程中幾乎不動(dòng)，孔隙水壓力不能消散，水位降落會(huì)對(duì)土石壩壩坡造成損傷;反之，當(dāng)k/μv→∞時(shí)，自由水面下降速度幾乎和庫(kù)水位降落速度相同，水位降落不會(huì)對(duì)土石壩壩坡造成損傷。

已知壩殼飽和滲透系數(shù)為1.5×10^-2cm/s，心墻飽和滲透系數(shù)為1.35×10^-8cm/s，根據(jù)壩殼土的滲透系數(shù)可確定該壩殼材料的給水度為0.21[9]。根據(jù)研究壩體的水位速降監(jiān)控閾值以及水庫(kù)水位最大驟降速率[10]，本研究采用1

1.2 壩體損傷工況條件的界定

根據(jù)規(guī)范[11]規(guī)定，土石壩在非正常工況運(yùn)行時(shí)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.3，因此取該安全系數(shù)下的工況條件為嚴(yán)重?fù)p傷工況條件，即100%嚴(yán)重?fù)p傷條件，其他情況的損傷系數(shù)可由如下公式計(jì)算：式中：η為損傷系數(shù);F_si為某下降水位下的安全系數(shù);F_s0為原有安全系數(shù)。

取損傷系數(shù)η=0.5為中度損傷工況條件、損傷系數(shù)η=0.3為輕度損傷工況條件，見(jiàn)表2。

蓄水位從高水位下降時(shí)，定義損傷系數(shù)達(dá)到0.3對(duì)應(yīng)的水位為輕度損傷限制水位，損傷系數(shù)達(dá)到0.5和1.0對(duì)應(yīng)的水位分別為中度損傷限制水位和重度損傷限制水位。通過(guò)研究不同速降指標(biāo)和水位下的損傷系數(shù)，得到水位下降控制閾值，從而為大壩管理維護(hù)提供技術(shù)參考。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 滲流參數(shù)驗(yàn)證

為了保證滲流分析結(jié)果正確，首先進(jìn)行測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。主壩0+500斷面測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，模型計(jì)算結(jié)果最大絕對(duì)誤差為0.03m，表明設(shè)置的滲流參數(shù)和建立的模型與實(shí)際情況基本吻合。

2.2 不同速降情況下水位指標(biāo)控制結(jié)果

與庫(kù)水位下降速度相比，浸潤(rùn)線的下降速度存在滯后現(xiàn)象，庫(kù)水位剛開(kāi)始下降時(shí)滯后不明顯，當(dāng)水位下降一定高度時(shí)，浸潤(rùn)線出現(xiàn)明顯朝向坡外的情況。將基于非穩(wěn)定滲流場(chǎng)得到的浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果調(diào)入Geo-slope，可得到壩坡?lián)p傷系數(shù)，初始庫(kù)水位為138.8m、5種不同水位降速的壩體損傷系數(shù)變化情況見(jiàn)圖2。圖2表明：水位降速越快，損傷系數(shù)越大、損傷越嚴(yán)重;水位下降得越低，損傷系數(shù)越大，損傷破壞發(fā)生的概率越大。因此，在水位驟降期間，應(yīng)當(dāng)對(duì)庫(kù)水位的降速和降幅作出限制，避免水位驟降造成坡面損傷。

2.3 不同損傷工況下的水位下降安全閾值

以初始庫(kù)水位138.8m為例，針對(duì)不同驟降速率進(jìn)行大壩的損傷評(píng)價(jià)研究。基于式（1）和表2，可得在5種不同水位驟降速率下的3級(jí)水位控制指標(biāo)：①輕度損傷控制水位指標(biāo)為一般控制水位，即降低至該水位時(shí)應(yīng)停止下降，防止發(fā)生輕度損傷;②中度損傷控制水位指標(biāo)為嚴(yán)格控制水位，應(yīng)嚴(yán)格控制一次性降低至該水位線以下;③重度損傷控制水位指標(biāo)為預(yù)警水位，當(dāng)水位一次性下降至該水位時(shí)，有發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)。138.8m初始庫(kù)水位不同損傷工況下降閾值指標(biāo)見(jiàn)表4。以0.020cm/s速降工況為例，由表4可知：應(yīng)盡量避免將庫(kù)水位下降至133.20m（輕度損傷控制指標(biāo)）以下;嚴(yán)禁將水位一次性降低至131.51m（中度損傷控制指標(biāo)）以下;當(dāng)水位一次性降低至125.36m（重度損傷控制指標(biāo)）時(shí)，壩體處于高危狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)發(fā)布安全預(yù)警。

3 討論

3.1 庫(kù)水位驟降下土石壩坡面損傷

早在20世紀(jì)70年代，我國(guó)曾有2座水庫(kù)因水位驟降而產(chǎn)生損傷破壞。近些年來(lái)，土石壩在長(zhǎng)期運(yùn)維過(guò)程中，常常忽視水位波動(dòng)對(duì)土石壩坡面的損傷，使得越來(lái)越多的老舊壩體過(guò)早進(jìn)入大修狀態(tài)。因此，對(duì)庫(kù)水位下降過(guò)程中的土石壩累積損傷進(jìn)行控制，是目前土石壩管理運(yùn)維的重要內(nèi)容。

以大伙房水庫(kù)水位從138.8m下降至132.0m為例，在驟降速率為0.020cm/s的情況下，損傷系數(shù)高達(dá)0.48，比水位下降速率為0.002cm/s的損傷系數(shù)0.23增大了1.1倍。因此，在滿足需求的前提下，應(yīng)當(dāng)盡量減小水位驟降速率，以有效減少壩體坡面損傷。

3.2 庫(kù)水位驟降水位控制指標(biāo)

目前，大多數(shù)土石壩的日常監(jiān)測(cè)只關(guān)注壩體整體安全，忽視水位驟降對(duì)壩體坡面損傷的控制，而從損傷的角度看，這種做法值得商榷。

非恒定滲流分析計(jì)算與損傷評(píng)價(jià)可知，在過(guò)快的水位降速下，壩體坡面會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷[12]。從損傷學(xué)的角度可實(shí)現(xiàn)不同驟降工況下壩體坡面損傷的控制，即在給定的驟降速率下，嚴(yán)格按照庫(kù)水位的下降閾值進(jìn)行控制，可有效減少損傷的發(fā)生。

實(shí)際上，中小型水庫(kù)最重要的監(jiān)控指標(biāo)是庫(kù)水位，監(jiān)控庫(kù)水位的時(shí)效性往往優(yōu)于測(cè)壓管水位等其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)。因此，把庫(kù)水位作為損傷系數(shù)的控制指標(biāo)，并應(yīng)用于工程實(shí)踐具有顯著優(yōu)勢(shì)?？梢酝ㄟ^(guò)限制水位指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)土石壩更為精細(xì)化的運(yùn)維管理，有效減少水位驟降帶來(lái)的壩體坡面損傷。這對(duì)增加土石壩的使用壽命、降低大修頻率，都具有極強(qiáng)的可實(shí)施性和工程指導(dǎo)意義。

3.3 工程應(yīng)用可行性分析

庫(kù)水位下降對(duì)土壩上游邊坡穩(wěn)定有顯著影響[13]，而在水庫(kù)運(yùn)維管理中，受人力、物力及技術(shù)等限制，對(duì)壩體內(nèi)部物理參數(shù)很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析?；诖?，本研究以大伙房水庫(kù)為例，基于非飽和滲流模型，采用直觀的監(jiān)測(cè)指標(biāo)——庫(kù)水位，對(duì)壩體坡面損傷進(jìn)行控制，具有很強(qiáng)的應(yīng)用可操作性。在大壩處于水位驟降工況下，可以根據(jù)不同工況，選取合理的水位控制指標(biāo)，通過(guò)簡(jiǎn)單圖表查詢，實(shí)現(xiàn)水位驟降下壩體坡面累積損傷的最小化管理，確保壩體坡面不因壩坡內(nèi)遲滯的滲透力作用而產(chǎn)生破壞損傷。以0.005cm/s的水位降速工況為例，由表4可知，130.83m為輕度損傷控制水位，因此在這一水位線應(yīng)停止降低庫(kù)水位，待壩體內(nèi)浸潤(rùn)線趨穩(wěn)后再降低庫(kù)水位。

采用3級(jí)損傷水位下降控制指標(biāo)，可擺脫目前土石壩現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，從而使得土石壩運(yùn)維管理更加科學(xué)高效。這種損傷控制的簡(jiǎn)單圖表查詢操作方法，一方面可實(shí)現(xiàn)壩體坡面累積損傷的最小化、降低大修頻率，另一方面可實(shí)時(shí)快捷查詢，大大精減工作量，方便現(xiàn)場(chǎng)決策，提高大壩安全的應(yīng)急管理水平和救援效率。

4 結(jié)論

（1）在相同工況下，水位降速越快土石壩坡面損傷越嚴(yán)重，控制庫(kù)水位驟降速度和降幅可有效減少損傷的發(fā)生，因此可以通過(guò)對(duì)庫(kù)水位進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)壩體坡面累積損傷的最小化管理。

（2）為便于科學(xué)決策和操作，可建立3級(jí)損傷水位下降閾值指標(biāo)，即輕度損傷控制指標(biāo)、中度損傷控制指標(biāo)和重度損傷控制指標(biāo)。其中：輕度損傷控制指標(biāo)為一般控制水位，即降低至該水位時(shí)應(yīng)停止下降，防止發(fā)生損傷;中度損傷控制指標(biāo)為嚴(yán)格控制水位，須嚴(yán)格控制;重度損傷控制指標(biāo)為預(yù)警水位，當(dāng)水位一次性下降至該水位時(shí)有發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)及時(shí)發(fā)布安全預(yù)警。

（3）采用水位控制指標(biāo)對(duì)大壩損傷進(jìn)行控制，可建立滿足實(shí)際需要的應(yīng)急運(yùn)維方案，確保水位驟降下壩體坡面累積損傷的最小化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快捷的查詢、大大精減工作量，方便現(xiàn)場(chǎng)作出科學(xué)決策，提高大壩安全管理水平和應(yīng)急指揮效率。

致謝：本文撰寫(xiě)過(guò)程中得到北京科技大學(xué)謝謨文教授的精心指導(dǎo)，特致謝意！

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