壩頂開裂和水位驟降對土壩抗震穩(wěn)定性影響

徐惠民，高玉峰，柴永進(jìn)，王景全，鄒德高

(1.南京水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，江蘇 南京 210014; 2 河海大學(xué)，巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098; 3. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014; 4. 東南大學(xué)， 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 201196; 5.大連理工大學(xué)， 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

土石壩作為人工構(gòu)筑的擋水建筑物，其壩坡穩(wěn)定問題比較典型。由于壩體邊坡太陡，或者因填土的抗剪強(qiáng)度太小，使得滑塌面以外的土體滑動力矩超過抗滑力矩，從而產(chǎn)生滑坡。在地震高烈度地區(qū)，土壩抗震穩(wěn)定性分析校核尤為重要。

土石壩壩頂裂縫及庫區(qū)庫水驟降是引起土石壩破壞的主要形式。白永年等系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)國內(nèi)外震后土石壩破壞形式，從震害類型來看，裂縫是主要震害，大約占破壞土石壩震害形式的80%左右。土壩產(chǎn)生裂縫勢必降低壩體抗滑力和弱化受力狀態(tài)，通常情況下裂縫內(nèi)會有水灌入，增加了額外的水壓力，當(dāng)裂縫達(dá)到使壩頂喪失穩(wěn)定的長度和深度時(shí)，壩頂出現(xiàn)滑塌。土石壩在地震中實(shí)際發(fā)生潰壩的很少，主要以局部破壞的形式存在，裂縫引起壩頂局部滑塌是主要的破壞形式。林鵬等研究了土體飽和度對土的抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體飽和度達(dá)到90%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度僅有60%飽和度下土體的1/5。眾多水庫土壩失事表明因降雨而水庫漲落是誘發(fā)庫岸滑坡的重要因素，意大利的Vajoint水庫，由于持續(xù)降雨和人為調(diào)控引起庫水驟漲驟落，誘發(fā)庫岸滑坡，致使庫水漫過262m高的拱壩，毀滅下游城市村莊。洪登明統(tǒng)計(jì)國內(nèi)滑坡資料表明，我國約有80%以上的滑坡是由降雨引發(fā)的，有的省區(qū)可以達(dá)到94%。由于降雨量在短期內(nèi)造成臨水邊坡的水位急劇上漲，當(dāng)坡外水位由于開閘放水等原因引起驟降，最終導(dǎo)致滑坡。

在臨沂地震高烈度區(qū)域分布了許多病險(xiǎn)土壩，這些土壩經(jīng)歷了開裂和水位驟降后，其抗震性能需要進(jìn)行評估。本文依托山東臨沂龍?zhí)端畮焱翂喂こ?，利用邊坡穩(wěn)定性分析軟件SLOPE/W，基于極限平衡理論及水工建筑物抗震規(guī)范所建議的擬靜力法，考慮土壩經(jīng)歷壩頂開裂和水位驟降后，對其地震穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

1 工程概況

山東臨沂龍?zhí)端畮煳挥谛裸鸷右患壷Я髂骂逗又向札埡由嫌危瑢傩裸鸷铀?。庫壩區(qū)地處魯東塊隆低山、丘陵區(qū)南部的沖洪積平原上，屬膠南穹狀塊隆山地坡腳前緣，地形總體上西北高東南低。水庫地處剝蝕丘陵區(qū)，基巖埋藏較淺，覆蓋層厚度不大，且多以砂壤土為主，壩體填土多以砂壤土為主。水庫控制流域面積8.0km2，流域形狀呈柳葉形，流域?qū)挾绕骄?.0km。龍?zhí)端畮炜値烊?260

圖1 龍?zhí)端畮焱翂斡?jì)算模型

萬m3，興利庫容1040萬m3，興利水位54.50m；死水位47.00m，相應(yīng)死庫容為150萬m3。是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)等多功能的中型水庫。水庫來水面積不大，流域自身產(chǎn)生的洪水危害不大，但水庫蓄水量多，水位較高，興利和防洪位置重要，而水庫下游有327國道和蛟龍鎮(zhèn)駐地，一旦出現(xiàn)問題，造成的洪水危害將很大。本區(qū)位于華北地震區(qū)-華北平原地震亞區(qū)-營口-郯城地震帶，地震活動以強(qiáng)度大、頻次高為主要特點(diǎn)。據(jù)歷史記載，工程區(qū)100km范圍內(nèi)已發(fā)生的5.0級以上地震7次。據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，庫壩區(qū)的地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，地震動峰值加速度為0.20g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

2 計(jì)算模型及物理力學(xué)參數(shù)

SLOPE/W軟件主要運(yùn)用極限平衡理論對不同土體類型、復(fù)雜地層和各種滑移面形狀的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行建模分析。本文基于SLOPE/W軟件中的簡化Bishop法，在傳統(tǒng)的瑞典圓弧法的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了條塊間水平力的影響，比瑞典圓弧法更為嚴(yán)密，而且通過土條豎向力的平衡以及整體力矩平衡條件，能夠避免對水平力的大小和作用點(diǎn)的計(jì)算，誤差僅為2%～7%，滿足實(shí)際工程計(jì)算要求。

龍?zhí)端畮靿位叱?6.6m，壩頂高程55.5m，壩高18.9m，壩頂寬7.15m，上游壩坡分為兩層，上層坡度為1∶2.7，下層坡度為1∶5.6，覆蓋層由壩址區(qū)的砂壤土和壤土組成，厚度為2.6m。根據(jù)邊坡工程地質(zhì)橫剖面圖，利用SLOPE/W軟件建立有限元模型，如圖1所示。取計(jì)算區(qū)域的底寬為壩基寬度的2倍，以消除邊界效應(yīng)。實(shí)際上游邊坡正常蓄水位高程53.55m，相對壩體模型16.9m處的蓄水位。

上游壩頂部分填土主要以壤土為主，壤土的性質(zhì)則介于砂土與粘土之間，通氣透水性較好，壩體和壩基以壤土和砂壤土為主，具體材料參數(shù)選取見表1。為充分考慮穩(wěn)定滲流作用下地震邊坡穩(wěn)定性，對于滲透系數(shù)的參數(shù)選擇見表2。

表1 龍?zhí)端畮靿螀^(qū)材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料滲透系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 壩頂裂縫引起壩坡局部滑動分析

由于壩頂壤土特性介于砂土與粘土之間，一旦壩頂區(qū)域出現(xiàn)裂縫，必定造成壩頂區(qū)域的填土材料處于飽和狀態(tài)，不考慮壩頂裂縫時(shí)，降雨入滲的影響范圍不足1m，考慮壩頂裂縫時(shí)，降雨入滲的影響范圍達(dá)到4m以上。為對比上游壩體壩頂裂縫引起壩體穩(wěn)定性，在靜力條件下開展有無裂縫情況下的穩(wěn)定數(shù)值模擬分析，如圖2所示，壩頂無裂縫時(shí)得到的安全系數(shù)超過4.7，而有裂縫存在時(shí)安全系數(shù)僅為1.167，壩頂?shù)陌踩禂?shù)下降明顯，只有前者的1/3，可以看出，滑動面沒有貫穿到壩坡坡腳，是壩坡局部穩(wěn)定性問題，裂縫的存在使土石壩處于局部不穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)壩頂產(chǎn)生裂縫后，采用擬靜力法對土壩上、下游壩坡開展地震穩(wěn)定性分析，分別考慮了7度、8度、9度地震強(qiáng)度作用，表3給出了對應(yīng)的地震壩坡安全系數(shù)。通過與不考慮開裂破壞的地震邊坡安全系數(shù)對比分析，可以發(fā)現(xiàn)壩頂開裂對壩坡抗震穩(wěn)定性有顯著影響，嚴(yán)重降低了壩坡的抗震性能，最大超過80%。對于上游壩坡穩(wěn)定性，壩頂開裂引起的穩(wěn)定性降低程度隨著地震強(qiáng)度的增加而增加，而下游壩坡穩(wěn)定性影響相反。壩坡開裂對上游壩坡穩(wěn)定性影響較下游影響更為顯著，這點(diǎn)在進(jìn)行抗震加固時(shí)需要注意。在實(shí)際工程中，需要對土壩壩頂開裂情況進(jìn)行排查，評估其對土壩抗震穩(wěn)定性的影響程度，采取有效的加固修復(fù)措施，從而保證其抗震性能。

圖2 靜力條件下裂縫對土石壩壩頂穩(wěn)定性分析圖

表3 裂縫對土壩壩頂安全系數(shù)影響

3.2 水位驟降對壩坡局部穩(wěn)定性的影響分析

龍?zhí)端畮炜刂屏饔蛎娣e8km2，屬較小流域，洪水多由24h暴雨形成，對水庫調(diào)洪演算起控制作用的洪水也是由24h暴雨形成的，當(dāng)洪水水位線短期內(nèi)驟降時(shí)，便會引起水庫土壩壩坡的滑塌。設(shè)計(jì)洪峰水位線為壩頂位置，其穩(wěn)態(tài)滲流場如圖3所示。洪峰設(shè)計(jì)水位線在3h內(nèi)驟降2m后，由調(diào)控穩(wěn)定在53.m不變，庫水驟降后的坡內(nèi)滲流場及水位線如圖4所示。比較圖3、圖4可知，庫水驟降后的壩體內(nèi)水頭差為驟降后的坡外水位水頭，壩頂處的水頭還處在驟降前的狀態(tài)，坡外水位線以上的壩頂部分甚至有坡內(nèi)水向坡外流動的趨勢。設(shè)計(jì)洪峰水位驟降曲線為3h內(nèi)達(dá)到驟降位置，超過3h后坡內(nèi)水位線有輕微的下降，相對驟降前的設(shè)計(jì)洪峰坡內(nèi)水位線沒有太大改變，壩頂坡內(nèi)水位線以下部分填土在進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)處于浮重度狀態(tài)。

圖5所示為庫水驟降后土壩在靜力條件下壩坡穩(wěn)定性，經(jīng)搜索得到壩頂局部淺層滑動是其最危險(xiǎn)滑面，安全系數(shù)為1.293。圖6給出了下游壩坡由于缺少坡水壓力的作用，搜索得到的滑動面為貫穿整個(gè)壩體的整體滑動面，其安全系數(shù)為1.221?？紤]水位驟降后土壩壩坡抗震安全性，表4列出各地震烈度下上游壩頂?shù)姆€(wěn)定性安全系數(shù)。從表中可以發(fā)現(xiàn)水位驟降后，壩坡的抗震穩(wěn)定性急劇降低，超過70%，嚴(yán)重影響了土壩的抗震穩(wěn)定性。庫水驟降引起坡內(nèi)水位線下降滯后，造成沒有坡水壓力影響的壩頂部分填土處于浮重度的狀態(tài)下，在進(jìn)行壩坡安全穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)極容易出現(xiàn)滑塌，也就是出現(xiàn)壩頂?shù)木植科茐摹?/p>

圖3 洪峰設(shè)計(jì)水位水庫滲流場

圖4 庫水位驟降后水庫土壩滲流場

圖5 庫水驟降引起的上游局部滑塌

圖6 庫水驟降引起的下游破壞面

4 結(jié)論

本文針對壩頂開裂和庫水位驟降影響下土壩抗震穩(wěn)定性問題開展分析，依托山東臨沂龍?zhí)端畮焱翂喂こ踢M(jìn)行研究。壩頂開裂對土壩上、下游壩坡抗震穩(wěn)定性影響顯著，最大降低了80%。相比下游壩坡抗震穩(wěn)定性，壩頂開裂對上游壩坡抗震穩(wěn)定性影響更加明顯，極易發(fā)生局部破壞。庫水位驟降后，土壩壩坡抗震穩(wěn)定性急劇降低，超過70%。因此，在實(shí)際工程中，需要重點(diǎn)排查壩頂開裂情況，做出相應(yīng)的修復(fù)措施，保障其抗震性能。此外，當(dāng)土壩經(jīng)歷地震后，應(yīng)盡量避免立即采取排空庫水位，以免余震對水位驟降后的上游壩坡產(chǎn)生影響。

表4 庫水驟降條件下對土石壩壩頂安全系數(shù)影響