库水位骤降下某均质坝除险加固后稳定性态评价

阿布都卡地尔·阿布都克拉木

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

0 引 言

我国是世界上水库数量最多的国家，水库的病险问题日益凸显[1]。我国病险水库总量约有6.02×104座，数量庞大，分布广泛[2]。在“十五”期间，我国加大了对大中型病险水库除险加固的投资力度，大型水库的病险率已由1999年底的42%下降到14%，中型水库病险率由41%下降到25%，取得了良好效果[3]。根据统计，我国中小型病险水库数量已达到5.74×104座，约占总数量的95.3%。因此，小型病险水库除险加固是当前我国病险水库除险加固工作的重点。

时铁城[4]等采用有限元法计算了英布鲁水电站土石坝在水位骤降条件下的非稳定渗流场和安全系数，发现上游坝坡的安全系数不满足规范要求；罗春[5]等采用Van Genuchten非饱和渗流模型研究了某土石坝在水位骤降工况下土石坝渗流稳定问题，发现库水位骤降工况下，上游水位的变化对坝体渗流量的影响较大，库水位急剧降落易使浸润线形成逆向渗流形态，最终造成土石坝坝坡稳定性的降低；尹吉娜[6]等通过模拟计算水位变动下的坝体渗流场，发现水位降速越快，浸润线最高点越高，逆流越明显，上游坝坡稳定性越差，恢复至稳定的时间越久。

目前，已有关于土石坝渗透稳定方面的研究，主要以大中型土石坝工程为主，其中又以心墙坝最多，针对小型均质坝的研究相对较少，而评估水位骤降时除险加固后均质坝的渗透稳定则更少，定量计算除险加固后坝体在各工况下的坝坡稳定有利于后期水库的正常运行。因此，本文以某典型的小(Ⅱ)型病险水库为例，分析大坝存在的问题，提出相应的整治措施，并研究该水库大坝在整治后受水位骤降的影响程度，重点分析不同库水位下降速率对坝体渗流场、上下游坝坡安全系数及最不利滑裂面的影响，旨在评价大坝整治设计方案的合理性，同时为后期坝体的运行提供借鉴。

1 工程概况

某水库始建于1982年，是一座典型的上世纪七八十年代修建的小水库。水库坝址以上集雨面积2.26 km2，总库容83.8×104m3，正常蓄水位351.6 m，正常库容55.3×104m3，死水位347.6 m，死库容22.4×104m3。该水库是一座以农业灌溉为主，兼有防洪、水产养殖等综合效益的小(Ⅱ)型水利工程，设计灌溉面积52 hm2。水库建成运行多年来，对下游防洪保安，促进农业生产发展，发挥了重大作用。

该水库大坝为均质土坝，坝顶高程353.85 m，坝顶长100 m，最大坝高13.52 m，顶宽2.77 m。坝顶设浆砌条石防浪墙，尺寸为0.3 m×0.9 m(宽×高)。大坝上游坝坡坡比为1∶1.723，大坝下游坝坡分3级，自上而下坡比分别为1∶1.5、1∶1.14和1∶8。大坝坝基为粉砂质泥岩，其承载力与变形强度均能满足土石坝要求。经大坝安全鉴定，大坝年久失修，上下游坝坡已长满杂草，加上表层坝体土流失，造成下游坝坡过陡，稳定性较差，计算的各工况安全系数不满足《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)的最低要求，排水棱体已基本失效。大坝现状见图1。

图1 水库大坝现状

根据设计及工程占地要求，初步确定坝体整治方案为清理下游杂草，重建防浪墙，拓宽硬化坝顶公路，培厚并放缓下游坝坡至1∶1.8，高程347.33 m处设一级马道宽1.5 m，重建下游排水棱体，棱体外侧设厚40 cm反滤层，棱体表面采用干砌条石护坡，坡比1∶1.25，坡脚设排水沟，与下游鱼塘交界处采用C20砼挡墙护脚。具体整治前后效果图见图2。

图2 水库大坝整治前后三维模型对比

2 研究方法

2.1 非饱和渗流有限元理论

根据达西渗透定律[7-10]，岩土体非稳定渗流场的控制性微分方程可表述为：

式中：∂x、∂y分别为X、Y轴方向；kx、ky分别为X、Y方向的渗透系数；H为水头；Q为边界渗漏量；Mw为水土特征曲线的斜率；γw为水重度。

进一步采用(Glerkin)加权余量法，则可推导出有限元渗流方程：

式中：τ为单元厚度；A为单元面积；λ为MWγW；B为水力梯度矩阵；C为单元导水率矩阵；H为水头向量；N为插值函数向量；q为单元边界单位渗流量；L为单元边长。

2.2 刚体极限平衡法

大坝体的稳定性计算主要考虑水位以上坡体的渗流压力，而水位以下部分，将坡面以上水体视为一种有重度无强度的特殊材料。根据该思路，本次坝坡稳定计算采用Bishop简化条分法。

水库正常蓄水位为351.6 m，死水位347.6 m，本次采用整治后的坝体模型进行计算分析。工况选取水位从正常蓄水位以不同速率下降至死水位，结合实际卧管的放水速率，选取库水位下降速率分别为0.5、1和2 m/d共3种工况进行分析。结合大坝工程地质条件，采用Geo-Studio软件计算分析库水位在不同水位下降速率时坝体内瞬时浸润线变化规律，并将计算结果导入边坡稳定性计算模块中，运用块体极限平衡法进行稳定性计算，即可获得大坝坝坡稳定安全系数与水位变动速率条件、水位高度与时间的相互关系[11]。结合现场取样及室内土体试验报告，坝体二维渗流计算主要物理力学参数见表1。

表1 坝体材料主要物理力学参数

3 库水位下降速率对大坝渗流场及坝坡稳定性的影响

3.1 库水位下降速率对渗流场影响

通过改变库水位变动速率，可得到大坝体在不同水位下降速率、不同库水位、不同时刻的瞬时地下水浸润线，库水位下降速率设定为0.5、1和2 m/d。图3为水库上游水位下降阶段瞬时浸润线计算结果。分析可知，当水位下降速率为0.5 m/d时，随着水位的下降，坝体内浸润线也随之下降，且坝体内的浸润线均低于上游水位，说明此时孔隙水压力迅速消散；随着水位下降速率的增大，水位下降时坝体内浸润线存在明显的滞后。例如当水位下降速率增至2 m/d时，在t=48 h后水位已经降至死水位347.6 m，此时上游坝体内的浸润线明显上凸，浸润线最高点明显高于上游水位，孔隙水压力来不及消散，对上游坝坡的稳定存在不利影响。

图3 不同水位下降速率瞬时浸润线计算结果

3.2 库水位下降速率对坝体稳定性影响

采用Bishop条分法定量计算在3种不同库水位下降速率下、不同库水位高程时的坝体上下游坝坡的稳定安全系数，具体见表2。分析可知，整治后的坝体，上下游坝坡安全系数均满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)的要求(5级水工建筑物正常运用条件1.25，非常运用条件1.15)。

表2 不同水位下降速率坝坡安全系数

上游坝坡：在库水位处于正常蓄水位(351.6 m)时，坝体上游坝坡安全系数为1.826。随着库水位的下降，3种工况下上游坝坡安全系数均逐渐减小，且在水位351.6～350.6 m之间减小最为明显。当降至最低死水位时，0.5、1和2 m/d 三种降水速率对应的上游坝坡安全系数分别为1.315、1.302和1.301，均为最小值，说明水位下降速率增大后，上游坝坡安全系数存在明显的减小趋势。

下游坝坡：随着库水位的下降，3种工况下下游坝坡安全系数呈现不同程度的增大，但增大不明显。当水位高于350.1 m时，上游坝坡安全系数大于下游坝坡。而水位从350.1 m继续下降后，下游坝坡安全系数继续增大并大于上游坝坡，此临界水位在350.1～349.6 m之间。

图4为不同库水位下降速率上下游坝坡安全系数与降水时间的关系曲线。分析可知， 0.5、1和2 m/d 三种降水速率对应的上游坝坡安全系数均随时间的增加而减小。按曲线斜率可将其降低分为两个阶段：第一个阶段的斜率k1分别为1.05、1.13和1.17，说明降水速率越大，k1值也越大；第二个阶段的斜率k2分别为3.2、3.1和2.9，说明随着降水速率的越大，k2值有逐渐减小的趋势。3种工况对应的下游坝坡安全系数随时间的变化规律基本相同，前期基本保持稳定，后期略有增加。

图4 不同水位下降速率坝坡安全系数与时间关系

图5为不同库水位下降速率上下游坝坡的滑裂面分布。由图5可见，3种工况下坝坡的滑弧基本一致，上游坝坡的滑弧均起于下游坝坡坡顶，从上游坡脚剪出；下游坝坡的滑弧均起于上游坝坡坡面高程353 m处，从下游坝坡坡脚位置剪出，说明库水位下降速率和上游水位高程对该水库大坝上下游坝坡滑裂面的分布没有影响。

图5 不同水位下降速率坝坡滑弧分布

4 结 论

本文基于非饱和渗流有限元理论，采用Geo-Studio软件计算分析某水库均质坝在整治后不同库水位下降速率时的安全性态，重点研究了水位下降速率(0.5、1和2 m/d)对坝体渗流场、上下游坝坡安全系数及最不利滑裂面的影响，得到以下结论：

1) 当水位下降速率为0.5 m/d时，随着水位的下降，坝体内浸润线也随之下降，浸润线均低于上游水位，坝体内孔隙水压力得到消散；当水位下降速率增至2 m/d时，坝体内的浸润线上凸并高于上游水位，孔隙水压力来不及消散，此时上游坝坡稳定性较差。

2) 整治后的水库大坝上下游坝坡安全系数均满足规范要求。随着库水位的下降，上游坝坡安全系数均迅速减小，下游坝坡安全系数略有增大。当水位下降至死水位时，上游坝坡安全系数小于下游坝坡，且水位下降速率越大，上游坝坡最终的安全系数越小。

3) 上游坝坡安全系数随时间的增加而减小，可将降水时间分为两个阶段：第一个阶段为降水初期，安全系数随时间推移减小明显；第二个阶段为降水后期，安全系数随时间推移减小不明显。

4) 不同水位下降速率和时刻对坝体最不利滑裂面基本相同，库水位下降速率和上游水位高程对大坝上下游坝坡滑裂面的分布没有影响。