库水位骤降期深圳水库坝坡稳定分析

2018-06-13 09:55刘婵玉

陕西水利 2018年3期

刘婵玉

0 前言

库水位骤降会导致坝坡稳定性降低[1]。近些年，已有很多学者对自然边坡和构造边坡在库水位骤降条件下的稳定性进行了广泛研究[2-3]。深圳水库是以供水、防洪为主的水利工程[4]，作为广东省东江～深圳供水工程（以下简称东深工程）供水香港的重要水源，水位骤降条件下坝坡的稳定，对于深圳水库的供水稳定和安全意义重大。

1964年初深圳水库被纳入东深工程，1965年3月正式对港供水。由于香港和深圳的用水需求不断增加，东深工程分别于1973～1994年间进行了三次扩建。期间对深圳水库主坝采取了增建塑性混凝土防渗墙措施。由于缺乏防渗墙材料试验的渗透参数，文章拟合得到深圳水库主坝各层土体及防渗墙的渗透系数，在此基础上选取典型计算断面进行渗流分析。

1 水库概况

深圳水库位于深圳市东北约3 km，坝址处在深圳河流域的最大支流沙湾河下游，正常蓄水位27.60 m，相应库容3348.41 万m3，设计洪水位（P=1%）28.83m，相应库容3854.72万m3，校核洪水位（P=0.05%）为30.24 m，总库容为4496.56万m3。

本文重点研究主坝在库水位骤降过程中上、下游坝坡的稳定。主坝为塑性混凝土防渗心墙土坝，坝顶高程31.50 m，坝顶宽度7 m，最大坝高25.50 m，坝长630 m，迎水面坝坡1∶3及1∶2，背水面坝坡1∶2～1∶3。坝脚设排水棱体与坝脚反滤沟相连，坝基为6 m～6.5 m的粉砂及砂卵石冲积层，下伏强风化千枚岩和石英砂岩。

2 稳定分析思路和计算工况

2.1 稳定分析思路

2.1.1 渗流分析

首先选取深圳水库2007～2014年坝前水位及其对应的实测测压管水位数据复核主坝1#典型断面的渗流稳定，通过各断面测压管水位连线所得出的浸润线与计算浸润线进行拟合反演推算，参照《深圳水库安全鉴定工程地质勘察报告》[5]中不同材料渗透系数的推荐取值范围，经过不断调整各材料渗透系数，使计算浸润线与实测浸润线拟合，对大坝各材料的渗透系数进行修正，更好的反映坝体实际渗透性。

然后利用上述反演分析得出的修正渗透系数，对主坝1#典型断面进行渗流稳定分析。

最后，选取主坝2#典型断面（与1#典型断面邻近）并对其进行渗流稳定分析。同时，对比两典型断面相同工况下单宽渗流量是否接近，以此推断修正渗透系数是否合理。

2.1.2 稳定分析

根据《深圳水库安全鉴定工程地质勘察报告》[5]和现场检查情况所选取2#典型断面进行稳定分析。

2.2 计算程序

本次渗流复核计算采用有限元法按二维平面问题进行计算，计算软件采用北京理正软件设计研究院开发的《理正岩土计算6.0版》的《渗流分析计算》进行。

本次稳定复核计算采用河海大学《autobank7.061》计算软件，假设沿圆弧滑裂面滑动破坏，对不同的工况组合，按计及条块间作用力的简化毕肖普法进行分析计算。浸润线采用《深圳水库土坝渗流安全复查报告》[6]中有关成果。

2.3 计算工况及特征水位

2.3.1 渗流分析

对典型断面进行渗流分析，计算工况主要考虑非常运行条件校核水位对应的情况：

1）上游校核洪水位与下游相应的最低水位；

2）上游校核洪水位降落至正常蓄水位（降落所需时间13小时）。

2.3.2 稳定分析

对典型断面进行稳定分析，计算工况参考《碾压式土石坝设计规范》[7]结合深圳水库运行调度过程中经常出现运行工况，选取以下库水位骤降典型工况。

1）上游正常蓄水位骤降至溢洪道底高程水位组合时上游坝坡稳定分析（27.6 m降至22.4 m，溢洪道底高程为22.4 m，水位差5.2 m，降落所需时间20小时）。

2）上游设计洪水位骤降至正常蓄水位组合时上游坝坡稳定分析（29.07 m降至27.6 m，水位差1.47 m，降落所需时间8小时）。

3）上游校核洪水位骤降至正常蓄水位组合时，上游坝坡稳定分析（30.29 m降至27.6 m，水位差2.69 m，降落所需时间13小时）。

2.3.3 特征水位

特征水位见表1。

表1 深圳水库特征水位表

2.4 计算断面与计算参数

1）1#典型断面和2#典型断面分别如图1、图2。

图1 主坝1#典型计算断面

图2 主坝2#典型计算断面

2）渗流分析计算中的土体渗透系数见表2。

表2 主坝土体渗透系数表

3）稳定分析计算中的土体物理力学参数。按规范《碾压式土石坝设计规范》[7]中第8.3.5条规定，本工程的工程等别为Ⅱ等，主要建筑物为2级，坝体与地基的土体的抗剪强度指标应采用三轴仪测定。由于坝体土料为粘性土，故对于稳定渗流期应采用土体的三轴抗剪有效应力强度指标，而对于库水位降落期则同时采用土体的三轴抗剪有效应力强度指标与三轴抗剪总应力强度指标，即强度计算方法应分别采用有效应力法与总应力法。这次计算采用的坝体土料物理力学指标参照《深圳水库安全鉴定工程地质勘察报告》[5]，详见表3（坝后坡堆石因无法取样指标为经验值）。

表3 本次安全鉴定坝体物理力学参数表

3 计算结果分析

3.1 渗流计算结果

3.1.1 材料渗透系数的修正

根据2007～2014年实测坝前水位及对应测压管水位资料[4]进行分析可知，坝前水位主要在24.96 m～28.35 m的区间范围内变动，本次为了分析的方便及计算的统一性，选择正常蓄水位27.6 m对应的测压管水位浸润线作为反演分析的拟合标准。选择时考虑监测时段前后无降水且水位相对稳定时段的实测浸润线作为典型。

通过反演分析计算1#典型断面浸润线与实测测压管浸润线对比如图3所示。反演分析确定的各材料的修正渗透系数见表4。

图3 主坝1#典型断面浸润线与实测测压管浸润线对比图

表4 主坝各层土体修正渗透系数表

3.1.2 主坝1#典型断面的渗流分析

利用上节反演分析得出的大坝各材料的修正渗透系数来复核主坝1#典型断面的渗流稳定，计算工况主要考虑非常运行条件校核水位对应的情况。主坝1#典型断面校核计算工况浸润线计算成果见图4、图5。校核工况单宽渗流量计算成果见表5。

1）由图4可知，浸润线在塑性混凝土防渗心墙的作用下出现骤降。

2）由图5可知，浸润线在塑性混凝土防渗心墙的作用下出现骤降，库水位从上游校核洪水位降落至正常蓄水位过程中（降落所需时间13小时），浸润线存在明显下降趋势。

表5 主坝1#典型断面校核工况单宽渗流量成果表

图4 主坝1#典型断面校核洪水位稳定渗流浸润线图

图5 主坝1#典型断面校核洪水位水位降落浸润线图

3.1.3 主坝2#典型断面的渗流分析

利用前述反演分析得出的修正渗透系数（详见表4）来复核主坝2#典型断面的渗流稳定。主坝2#典型断面各工况浸润线计算成果见附图6～附图7。主坝各工况单宽渗流量计算成果见表7。

1）由图6可知，浸润线在塑性混凝土防渗心墙的作用下出现骤降。

2）由图7可知，浸润线在塑性混凝土防渗心墙的作用下出现骤降，库水位从上游校核洪水位降落至正常蓄水位过程中（降落所需时间13小时），浸润线存在明显下降趋势。

3）由表5和表6可知，主坝1#典型断面和主坝2#典型断面在各工况下单宽渗流量计算成果比较接近。认为反演分析得到坝体各层新的修正渗透系数可以反映坝体实际渗透性。

表6 主坝2#典型断面剖面各工况单宽渗流量成果表

图6 主坝2#典型计算断面校核洪水位稳定渗流浸润线图

图7 主坝2#典型计算断面校核洪水位水位降落浸润线图

3.2 稳定计算结果

本次计算所选主坝2#典型断面坝坡稳定计算成果见表7。各工况下主坝2#典型断面坝坡稳定计算成果见图8～图10。由表7可知，深圳水库主坝2#典型断面在库水位骤降典型工况下，上游坝坡稳定最小安全系数均满足规范要求。上游坝坡稳定最小安全系数受库水位下降速率影响，库水位下降速率越大，上游坝坡稳定最小安全系数越小。