库水位骤降下土石坝损伤评价与管理对策

韩国波 张丽华 杜岩 郑孝婷 刘日成

摘要：库水位的快速下降会造成土石坝上游坡面产生损伤，这是威胁中小型土石坝安全运行的因素之一。大量研究表明，土石坝在库水位下降时，上游坡面的安全性会大大降低，产生累积损伤，降低大坝的使用寿命。以大伙房水库土石坝为例，在不同水位降速情况下对其坡面进行损伤评价，结果表明：水位降速越快损伤越严重，控制水位下降速度和幅度可有效规避损伤的发生。通过设置3级水位下降阈值指标，即轻度损伤、中度损伤和重度损伤控制指标，可为土石坝安全运行提供参考，该方法操作简单，可有效减少土石坝在水位骤降时的坝体坡面累积损伤，具有较强的工程应用价值。

关键词：土石坝;水位骤降;损伤;水位下降阈值指标;大伙房水库

中图分类号：TV698.2⁺3 文献标志码：A

长时间正常运行的土石坝在库水位骤降时，坝体内部孔隙水压力来不及消散，水分向上游坡面溢出，从而在坝坡渗透力作用下可能发生损伤，降低土石坝的安全性。每一次库水位骤降造成的损伤效应可能不显著，但多次重复库水位骤降后，损伤效应可能会累积性发展[1]。20世纪，江西、湖北等地的多个水库在泄洪或水位骤降时产生上游坡面损伤和破坏，造成较大损失。陈祖煜[2]认为库水位降落时黏性土的抗剪强度由库水位降落前的法向有效应力决定，水位下降期大坝的安全系数会大大降低，有可能产生坡面损伤破坏;岳庆河等[3]研究表明饱和渗透系数相同时，库水位降落速度越快则上游坝坡稳定性越差;王东林等[4]采用理正分析软件进行非恒定渗流分析计算和边坡稳定分析，研究不同库水位降落速度、坝体渗透系数和给水度条件下均质土坝非稳定渗流场的变化规律，验证了把k/μv（其中：k为渗透系数声为给水度，v为降水速度）作为库水位降落快慢的指标来判别坝坡稳定的合理性;时铁城等[5]基于Geo-slope软件对坝坡进行稳定性分析，认为当库水位骤降时，坝体内部的孔隙水压力往往不能马上消散，因此应按设计的库水位降落速度予以控制;于满满等[6]针对某土石坝进行研究，得出水库大坝断面浸润线的黄色和红色预警指标;张旭等[7]通过建立渗流场一应力场的流固耦合计算模型，揭示了孔隙水压力差的不断变化直至减弱消散以及浸润线滞后库水的时间效应。虽然在基于非饱和渗流模型的土石坝安全评价、渗流与安全系数关系方面取得了很多成果，但是对土石坝上游坝坡损伤评价和对策研究还有待进一步深入。事实上，岩土体在不利应力环境下会产生累积损伤，进而产生破坏[8]。因此，对库水位下降过程中的土石坝损伤进行控制，减少水位骤降产生的坝体坡面损伤，是目前提升土石坝运维管理水平的重要手段。本研究以大伙房土石坝为例，基于非饱和渗流模型，引入损伤系数，在不同水位工况下进行坝坡损伤评价分析，确定不同水位骤降速率下库水位控制阈值指标，以期为工程运维管理提供参考。

1 工程概况及工况条件

大伙房水库位于辽宁省浑河中上游，是浑河干流上的控制性骨干工程，于1954年4月正式开工，1958年9月竣工。水库按防御千年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核、可能最大暴雨复核，设计洪水位136.0m，最高洪水位138.8m，正常蓄水位131.5m，防洪限制水位126.4m。坝体类型为黏土心墙砂壳坝，坝长1367.0m，最大坝高49.2m，坝顶高程139.2m，防浪墙顶高程140.2m，黏土心墙顶高程136.8m，坝顶宽8.0m。坝体模型如图1所示，其物理力学参数见表1。

1.1 速降指标

目前，研究水库水位骤降的通用评价指标为k/μv，反映土石坝坝体内孔隙水降落速度与水库水位降落速度之间的比值关系。

当k/μv→0时，坝体内自由水面在库水位下降过程中几乎不动，孔隙水压力不能消散，水位降落会对土石坝坝坡造成损伤;反之，当k/μv→∞时，自由水面下降速度几乎和库水位降落速度相同，水位降落不会对土石坝坝坡造成损伤。

已知坝壳饱和渗透系数为1.5×10^-2cm/s，心墙饱和渗透系数为1.35×10^-8cm/s，根据坝壳土的渗透系数可确定该坝壳材料的给水度为0.21[9]。根据研究坝体的水位速降监控阈值以及水库水位最大骤降速率[10]，本研究采用1

1.2 坝体损伤工况条件的界定

根据规范[11]规定，土石坝在非正常工况运行时的设计安全系数为1.3，因此取该安全系数下的工况条件为严重损伤工况条件，即100%严重损伤条件，其他情况的损伤系数可由如下公式计算：式中：η为损伤系数;F_si为某下降水位下的安全系數;F_s0为原有安全系数。

取损伤系数η=0.5为中度损伤工况条件、损伤系数η=0.3为轻度损伤工况条件，见表2。

蓄水位从高水位下降时，定义损伤系数达到0.3对应的水位为轻度损伤限制水位，损伤系数达到0.5和1.0对应的水位分别为中度损伤限制水位和重度损伤限制水位。通过研究不同速降指标和水位下的损伤系数，得到水位下降控制阈值，从而为大坝管理维护提供技术参考。

2 试验结果

2.1 渗流参数验证

为了保证渗流分析结果正确，首先进行测压管监测数据与模拟结果对比验证。主坝0+500断面测压管监测数据与对应的模型计算结果见表3，模型计算结果最大绝对误差为0.03m，表明设置的渗流参数和建立的模型与实际情况基本吻合。

2.2 不同速降情况下水位指标控制结果

与库水位下降速度相比，浸润线的下降速度存在滞后现象，库水位刚开始下降时滞后不明显，当水位下降一定高度时，浸润线出现明显朝向坡外的情况。将基于非稳定渗流场得到的浸润线计算结果调入Geo-slope，可得到坝坡损伤系数，初始库水位为138.8m、5种不同水位降速的坝体损伤系数变化情况见图2。图2表明：水位降速越快，损伤系数越大、损伤越严重;水位下降得越低，损伤系数越大，损伤破坏发生的概率越大。因此，在水位骤降期间，应当对库水位的降速和降幅作出限制，避免水位骤降造成坡面损伤。

2.3 不同损伤工况下的水位下降安全阈值

以初始库水位138.8m为例，针对不同骤降速率进行大坝的损伤评价研究。基于式（1）和表2，可得在5种不同水位骤降速率下的3级水位控制指标：①轻度损伤控制水位指标为一般控制水位，即降低至该水位时应停止下降，防止发生轻度损伤;②中度损伤控制水位指标为严格控制水位，应严格控制一次性降低至该水位线以下;③重度损伤控制水位指标为预警水位，当水位一次性下降至该水位时，有发生破坏的风险。138.8m初始库水位不同损伤工况下降阈值指标见表4。以0.020cm/s速降工况为例，由表4可知：应尽量避免将库水位下降至133.20m（轻度损伤控制指标）以下;严禁将水位一次性降低至131.51m（中度损伤控制指标）以下;当水位一次性降低至125.36m（重度损伤控制指标）时，坝体处于高危状态，应及时发布安全预警。

3 讨论

3.1 库水位骤降下土石坝坡面损伤

早在20世纪70年代，我国曾有2座水库因水位骤降而产生损伤破坏。近些年来，土石坝在长期运维过程中，常常忽视水位波动对土石坝坡面的损伤，使得越来越多的老旧坝体过早进入大修状态。因此，对库水位下降过程中的土石坝累积损伤进行控制，是目前土石坝管理运维的重要内容。

以大伙房水库水位从138.8m下降至132.0m为例，在骤降速率为0.020cm/s的情况下，损伤系数高达0.48，比水位下降速率为0.002cm/s的损伤系数0.23增大了1.1倍。因此，在满足需求的前提下，应当尽量减小水位骤降速率，以有效减少坝体坡面损伤。

3.2 库水位骤降水位控制指标

目前，大多数土石坝的日常监测只关注坝体整体安全，忽视水位骤降对坝体坡面损伤的控制，而从损伤的角度看，这种做法值得商榷。

非恒定渗流分析计算与损伤评价可知，在过快的水位降速下，坝体坡面会发生严重损伤[12]。从损伤学的角度可实现不同骤降工况下坝体坡面损伤的控制，即在给定的骤降速率下，严格按照库水位的下降阈值进行控制，可有效减少损伤的发生。

实际上，中小型水库最重要的监控指标是库水位，监控库水位的时效性往往优于测压管水位等其他监测指标。因此，把库水位作为损伤系数的控制指标，并应用于工程实践具有显著优势。可以通过限制水位指标，实现土石坝更为精细化的运维管理，有效减少水位骤降带来的坝体坡面损伤。这对增加土石坝的使用寿命、降低大修频率，都具有极强的可实施性和工程指导意义。

3.3 工程应用可行性分析

库水位下降对土坝上游边坡稳定有显著影响[13]，而在水库运维管理中，受人力、物力及技术等限制，对坝体内部物理参数很难做到实时监测和分析。基于此，本研究以大伙房水库为例，基于非饱和渗流模型，采用直观的监测指标——库水位，对坝体坡面损伤进行控制，具有很强的应用可操作性。在大坝处于水位骤降工况下，可以根据不同工况，选取合理的水位控制指标，通过简单图表查询，实现水位骤降下坝体坡面累积损伤的最小化管理，确保坝体坡面不因坝坡内迟滞的渗透力作用而产生破坏损伤。以0.005cm/s的水位降速工况为例，由表4可知，130.83m为轻度损伤控制水位，因此在这一水位线应停止降低库水位，待坝体内浸润线趋稳后再降低库水位。

采用3级损伤水位下降控制指标，可摆脱目前土石坝现场条件的制约，从而使得土石坝运维管理更加科学高效。这种损伤控制的简单图表查询操作方法，一方面可实现坝体坡面累积损伤的最小化、降低大修频率，另一方面可实时快捷查询，大大精减工作量，方便现场决策，提高大坝安全的应急管理水平和救援效率。

4 结论

（1）在相同工况下，水位降速越快土石坝坡面损伤越严重，控制库水位骤降速度和降幅可有效减少损伤的发生，因此可以通过对库水位进行控制实现坝体坡面累积损伤的最小化管理。

（2）为便于科学决策和操作，可建立3级损伤水位下降阈值指标，即轻度损伤控制指标、中度损伤控制指标和重度损伤控制指标。其中：轻度损伤控制指标为一般控制水位，即降低至该水位时应停止下降，防止发生损伤;中度损伤控制指标为严格控制水位，须严格控制;重度损伤控制指标为预警水位，当水位一次性下降至该水位时有发生破坏的风险，应及时发布安全预警。

（3）采用水位控制指标对大坝损伤进行控制，可建立满足实际需要的应急运维方案，确保水位骤降下坝体坡面累积损伤的最小化，实现实时快捷的查询、大大精减工作量，方便现场作出科学决策，提高大坝安全管理水平和应急指挥效率。

致谢：本文撰写过程中得到北京科技大学谢谟文教授的精心指导，特致谢意！

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