考慮滲流及降雨影響的石棚水庫大壩穩(wěn)定性分析

摘 要：本研究以石棚水庫大壩為研究對象，采用數(shù)值模擬的方式，分析了該水庫大壩在不同庫區(qū)水位及降雨強度下的滲流特性及穩(wěn)定性變化情況，庫區(qū)蓄水過程對壩體穩(wěn)定性負面影響顯著，壩體安全系數(shù)最大降幅達到52.2%，且內(nèi)部徑流效應明顯；在極端暴雨工況下，降雨時長超過9.5h，壩體存在滑塌風險。本研究所得結(jié)論可為該水庫的日常運行管理提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：水庫大壩；庫區(qū)水位；降雨；滲流穩(wěn)定

中圖分類號：TV 69" 文獻標志碼：A

土壩具有造價低、施工便捷等優(yōu)點，其廣泛應用于水利行業(yè)中，但是會出現(xiàn)滲漏等工程問題。土壩工程問題約占全球潰壩問題總數(shù)的70%[1]，而滲流破壞導致壩體外側(cè)邊坡失穩(wěn)是土壩災害事故的主要原因。因此，在水庫運營期間對土壩進行滲流穩(wěn)定分析，并據(jù)此采取防控措施是有必要的。

見立紅[2]對唐山陡河水庫大壩的主壩和副壩進行了滲流穩(wěn)定分析，表明主壩存在壩基、繞壩及局部壩體滲漏問題，副壩局部滲流不利于壩坡穩(wěn)定。高瑞[3]對五曲灣水庫進行了滲流安全分析，發(fā)現(xiàn)壩體、壩基滲透坡降均小于允許滲透比降，穩(wěn)定滲流期與水位降落期壩坡最小安全系數(shù)均大于允許值，滿足規(guī)范要求。除此以外，鄧烈等[4]、邢健等[5]都對某一水庫土壩進行了滲流穩(wěn)定分析，發(fā)現(xiàn)土壩存在滲水點，并提出相應的防滲加固措施?，F(xiàn)有研究集中于水庫壩體應急排險上，在發(fā)現(xiàn)隱患后分析原因并對壩體進行加固，若能在服役期對壩體進行隱患預測，則可提高壩體服役年限。

本研究通過geo-studio軟件對石棚水庫大壩不同水位高度及不同降雨強度下的壩體進行滲流穩(wěn)定分析，以期為該水庫的日常運營提供相關(guān)工程建議。

1 工程概況

石棚水庫總庫容1138萬m3，興利庫容840萬m3，死庫容15萬m3。防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，1000年一遇洪水校核。水庫大壩為二類壩，其中主壩為均質(zhì)土壩，壩高33.66m，最大壩高15.2m，壩軸線長度527m。

2 穩(wěn)定性分析方法、模型和參數(shù)

2.1 分析方法

采用geo-studio軟件中的slope/w及seep/w模塊分析不同庫區(qū)水位及降雨強度下的壩體穩(wěn)定性。穩(wěn)定性分析采用Morgenstern-Price法，該方法考慮了土條條間剪力和法向力，且同時滿足力矩平衡和力平衡，可在分析中自動搜索滑裂面。其中力矩和力平衡安全系數(shù)的計算過程如公式（1）、公式（2）所示[6]。

（1）

（2）

式中：β、R、x、f、d為幾何參數(shù)；c'為有效聚力；φ'為有效摩擦角；μ為孔隙水壓力；N為條塊底部法向力；W為條塊質(zhì)量；D為線荷載；α為土體底部傾斜角。

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）[7]，穩(wěn)定性分級標準見表1。

2.2 分析模型及參數(shù)取值

采用geo-studio軟件中的slope/w及seep/w模塊，根據(jù)實際工程概況建立不同水位及降雨條件下的非飽和滲流耦合穩(wěn)定性計算模型。當軟件參數(shù)取值時，由室內(nèi)試驗測試得到土體強度參數(shù)，取值結(jié)果見表2。根據(jù)軟件內(nèi)置的土體粒徑及分類數(shù)據(jù)庫，結(jié)合seep/w中V-G模型擬合得到土體的土水特征曲線及滲透系數(shù)曲線，如圖1所示。此外，在分析降雨對壩體穩(wěn)定性影響的過程中，設(shè)定邊界條件時，若降雨強度小于筑壩土體的入滲能力，則按照流量邊界對壩體表部進行賦值，其中流量大小等于降雨強度；若降雨強度大于筑壩土體的入滲能力，則按照定水頭邊界對壩體外側(cè)邊坡進行賦值，其中水頭值等于其地面高程。

2.3 計算工況

當分析不同水位高度對壩體影響時將水位高度設(shè)置為0m、4m、8m、12m、16m、20m、24m、28m，分析過程中不考慮降雨作用。在分析降雨對壩體穩(wěn)定性的影響過程中，根據(jù)氣象學中降雨等級的劃分標準，本文設(shè)置了大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨4種工況，降雨量分別為35mm、75mm、150mm、200mm，降雨時長均設(shè)置為24h，庫區(qū)水位設(shè)置成26.5m。所有工況見表3。

3 結(jié)果分析

3.1 不同水位高度

庫區(qū)水位影響下的壩體內(nèi)部滲流路徑及不同水位高度下的壩體穩(wěn)定性分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看到，在庫區(qū)水位的影響下，壩體內(nèi)部地下水的滲流路徑分布均勻，這主要是因為壩體結(jié)構(gòu)性完整，且為均質(zhì)土壩，表層填筑土體與深層填筑土體滲透性較一致，因此滲徑分布均勻。從圖3可以看到，隨著庫區(qū)水位上升，壩體穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。這是當庫區(qū)水位增加時，水庫土壩受水浸潤區(qū)域變大，水位線提高，庫區(qū)中的水通過土中孔隙深入土中，土壩填筑土體由不飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，而飽和區(qū)域的土體因為水的浮力作用，減少了自身的有效重力，即飽和區(qū)域的填筑土體有效應力降低。填筑土體的有效應力降低將會導致土體強度下降，壩體安全系數(shù)也出現(xiàn)下降趨勢。實際上，風的作用和庫內(nèi)水的流動作用會對土壩產(chǎn)生波浪打擊作用和沖刷作用。當庫區(qū)水位升高時，庫內(nèi)水域面積和水量會大幅提升，波浪打擊作用和沖刷作用也會相應加強，土壩坡腳在這兩種作用下可能會出現(xiàn)剪切滑動面失穩(wěn)，最終土壩失去坡底的支撐而發(fā)生崩塌和滑坡現(xiàn)象。在庫區(qū)水位從0m升至28m的過程中，壩體安全系數(shù)降低約52.2%，此時壩體安全系數(shù)降至1.150以下，但仍大于1.000，其穩(wěn)定狀態(tài)介于穩(wěn)定及基本穩(wěn)定之間。以《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）[7]中規(guī)定的1.150為界限，對不同庫區(qū)水位作用下壩體安全系數(shù)曲線進行劃分，可以看到壩體所對應的庫區(qū)警戒水位約為24.8m，若水位進一步上漲，則壩體穩(wěn)定性等級將下降，壩體外側(cè)邊坡將存在小型滑塌隱患。

綜上所述，庫區(qū)水位產(chǎn)生的滲流對壩體穩(wěn)定性的影響較大，在壩體服役階段，須實時監(jiān)測庫區(qū)水位高度，當水位達到警戒值時應采取相關(guān)防控措施，例如監(jiān)測壩體外側(cè)邊坡水平位移及土體內(nèi)部的孔壓分布趨勢等，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步判斷壩體外側(cè)是否存在小型滑塌隱患。若水位進一步上漲，則須采取可靠的降水排水措施，例如在壩體內(nèi)部打設(shè)抽排豎井、防滲帷幕等，以減少滲流對壩體穩(wěn)定性的影響。

3.2 不同降雨強度

不同降雨強度下的壩體穩(wěn)定性如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在相同降雨時長的情況下，土壩穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨強度增加而減少。例如，當降雨時長為4h時，大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨下的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.19、1.16、1.13和1.09。降雨強度對土壩穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下2個方面。1）當降雨強度小于土壩填筑土體的滲透系數(shù)時，所有的降雨量幾乎能全部入滲到填筑土體中，而雨水入滲會導致土壩淺層填筑土體從不飽和狀態(tài)逐漸進入飽和狀態(tài)，并不斷向土壩深層填筑土體延伸，這將造成暫態(tài)飽和土填筑土體的抗剪強度弱化，與此同時雨水入滲也會導致土壩填筑土體自重增加，使土壩坡體下滑力變大，使土壩穩(wěn)定性降低。2）當降雨強度大于土壩填筑土體的滲透系數(shù)時，部分降雨量入滲到填筑土體中，另外一部分則形成坡面徑流而流走，而坡面徑流會對土壩壩體坡面造成沖刷破壞，從而降低土壩穩(wěn)定性。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在相同的降雨強度下，土壩穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨時長增加而減少。例如，在大雨工況下，當降雨時長分別為6h、12h、18h、24h時，土壩穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.18、1.17、1.16和1.15。降雨時長對土壩穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下方面：隨著降雨時長增加，通過壩體坡面入滲的雨水量逐漸增加，一方面填筑土體的自重不斷增加，使土壩壩體下滑力變大，另外一方面填筑土體中的飽和區(qū)域也不斷增加，土壩壩體抗剪強度不斷下降，在兩者作用下，土壩壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低。與降雨時長相比，降雨強度可能對壩體穩(wěn)定安全系數(shù)的影響較大。例如，當降雨時長4h時，與大雨工況相比，暴雨工況土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度為0.03；與暴雨工況相比，大暴雨工況土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度為0.03；與大暴雨工況相比，特大暴雨工況土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度為0.04。

在大雨工況下，與降雨時長6h的情況相比，降雨時長12h的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降幅和與降雨時長12h的情況相比，降雨時長18h的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降幅以及與降雨時長18h相比，降雨時長24h的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度均約為0.01。

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）[7]中穩(wěn)定性分級標準，當降雨強度為大雨時，24h降雨結(jié)束后坡體安全系數(shù)仍大于1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)；當降雨強度為暴雨時，降雨約6.5h后坡體安全系數(shù)約降至1.15，因此在24h持續(xù)暴雨下，斜坡體在0h～6.5h內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在6.5h～24h內(nèi)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當降雨強度為大暴雨時，降雨約1.8h后坡體安全系數(shù)降至約1.15，降雨約18.5h后坡體安全系數(shù)降至約1.05，因此在24h持續(xù)大暴雨下，斜坡體在0h～1.8h內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在1.8h～18.5h內(nèi)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在18.5h～24h內(nèi)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當降雨強度為特大暴雨時，降雨約0.6h后坡體安全系數(shù)降至約1.15，降雨約9.5h后安全系數(shù)降至約1.05，降雨約19h后安全系數(shù)降至約1，因此在24h持續(xù)特大暴雨下，斜坡體在0h～0.6h內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在0.6h～9.5h內(nèi)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在9.5h～19h內(nèi)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在19h～24h內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，降雨產(chǎn)生的雨水入滲會導致壩體穩(wěn)定性顯著降低，在壩體服役階段須考慮降雨可能帶來的不利影響，實時監(jiān)測壩體周圍的累計降雨量及降雨強度，尤其是當降雨強度達到大暴雨及特大暴雨級別時，為了避免該級別下的降雨持續(xù)時間過長對壩體帶來的負面影響，應提前在壩體上設(shè)置雨水截洪溝、導排明溝等排水設(shè)施，以減少雨水入滲對壩體穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)論

本研究以石棚水庫大壩為研究對象，對不同庫區(qū)水位高度及不同降雨強度下的壩體穩(wěn)定性進行了分析，得出以下結(jié)論。1）在庫區(qū)水位影響下，壩體內(nèi)部滲流路徑分布均勻，在庫區(qū)從0m蓄水至28m的過程中，壩體安全系數(shù)降低約52.2%，當庫區(qū)水位超過24.8m時，須實時監(jiān)測壩體外側(cè)邊坡水平位移及土體內(nèi)部的孔壓分布趨勢，避免產(chǎn)生滑塌隱患；若水位持續(xù)上漲，則應采取必要的降水排水措施，例如在壩體內(nèi)部打設(shè)抽排豎井、防滲帷幕等，以減少滲流對壩體穩(wěn)定性的影響。2）當降雨等級為大暴雨，降雨時長達到 9.5h，或降雨等級為特大暴雨，降雨時長為 19h 時，壩體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，為防止雨水持續(xù)入滲對壩體造成損害，應提前在壩體上設(shè)置雨水截洪溝、導排明溝等排水設(shè)施，以減少雨水入滲對壩體穩(wěn)定性的影響。

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