坝顶开裂和水位骤降对土坝抗震稳定性影响

徐惠民，高玉峰，柴永进，王景全，邹德高

(1.南京水利规划设计研究院股份有限公司，江苏 南京 210014; 2 河海大学，岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098; 3. 中设设计集团股份有限公司， 江苏 南京 210014; 4. 东南大学， 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 江苏 南京 201196; 5.大连理工大学， 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

土石坝作为人工构筑的挡水建筑物，其坝坡稳定问题比较典型。由于坝体边坡太陡，或者因填土的抗剪强度太小，使得滑塌面以外的土体滑动力矩超过抗滑力矩，从而产生滑坡。在地震高烈度地区，土坝抗震稳定性分析校核尤为重要。

土石坝坝顶裂缝及库区库水骤降是引起土石坝破坏的主要形式。白永年等系统统计国内外震后土石坝破坏形式，从震害类型来看，裂缝是主要震害，大约占破坏土石坝震害形式的80%左右。土坝产生裂缝势必降低坝体抗滑力和弱化受力状态，通常情况下裂缝内会有水灌入，增加了额外的水压力，当裂缝达到使坝顶丧失稳定的长度和深度时，坝顶出现滑塌。土石坝在地震中实际发生溃坝的很少，主要以局部破坏的形式存在，裂缝引起坝顶局部滑塌是主要的破坏形式。林鹏等研究了土体饱和度对土的抗剪强度的影响，发现当土体饱和度达到90%时，土体的抗剪强度仅有60%饱和度下土体的1/5。众多水库土坝失事表明因降雨而水库涨落是诱发库岸滑坡的重要因素，意大利的Vajoint水库，由于持续降雨和人为调控引起库水骤涨骤落，诱发库岸滑坡，致使库水漫过262m高的拱坝，毁灭下游城市村庄。洪登明统计国内滑坡资料表明，我国约有80%以上的滑坡是由降雨引发的，有的省区可以达到94%。由于降雨量在短期内造成临水边坡的水位急剧上涨，当坡外水位由于开闸放水等原因引起骤降，最终导致滑坡。

在临沂地震高烈度区域分布了许多病险土坝，这些土坝经历了开裂和水位骤降后，其抗震性能需要进行评估。本文依托山东临沂龙潭水库土坝工程，利用边坡稳定性分析软件SLOPE/W，基于极限平衡理论及水工建筑物抗震规范所建议的拟静力法，考虑土坝经历坝顶开裂和水位骤降后，对其地震稳定性进行评估。

1 工程概况

山东临沂龙潭水库位于新沭河一级支流穆疃河支沟蛟龙河上游，属新沭河水系。库坝区地处鲁东块隆低山、丘陵区南部的冲洪积平原上，属胶南穹状块隆山地坡脚前缘，地形总体上西北高东南低。水库地处剥蚀丘陵区，基岩埋藏较浅，覆盖层厚度不大，且多以砂壤土为主，坝体填土多以砂壤土为主。水库控制流域面积8.0km2，流域形状呈柳叶形，流域宽度平均2.0km。龙潭水库总库容1260

图1 龙潭水库土坝计算模型

万m3，兴利库容1040万m3，兴利水位54.50m；死水位47.00m，相应死库容为150万m3。是一座具有防洪、灌溉、发电、水产等多功能的中型水库。水库来水面积不大，流域自身产生的洪水危害不大，但水库蓄水量多，水位较高，兴利和防洪位置重要，而水库下游有327国道和蛟龙镇驻地，一旦出现问题，造成的洪水危害将很大。本区位于华北地震区-华北平原地震亚区-营口-郯城地震带，地震活动以强度大、频次高为主要特点。据历史记载，工程区100km范围内已发生的5.0级以上地震7次。据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，库坝区的地震动反应谱特征周期为0.45s，地震动峰值加速度为0.20g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

2 计算模型及物理力学参数

SLOPE/W软件主要运用极限平衡理论对不同土体类型、复杂地层和各种滑移面形状的边坡稳定性进行建模分析。本文基于SLOPE/W软件中的简化Bishop法，在传统的瑞典圆弧法的基础上补充了条块间水平力的影响，比瑞典圆弧法更为严密，而且通过土条竖向力的平衡以及整体力矩平衡条件，能够避免对水平力的大小和作用点的计算，误差仅为2%～7%，满足实际工程计算要求。

龙潭水库坝基高程36.6m，坝顶高程55.5m，坝高18.9m，坝顶宽7.15m，上游坝坡分为两层，上层坡度为1∶2.7，下层坡度为1∶5.6，覆盖层由坝址区的砂壤土和壤土组成，厚度为2.6m。根据边坡工程地质横剖面图，利用SLOPE/W软件建立有限元模型，如图1所示。取计算区域的底宽为坝基宽度的2倍，以消除边界效应。实际上游边坡正常蓄水位高程53.55m，相对坝体模型16.9m处的蓄水位。

上游坝顶部分填土主要以壤土为主，壤土的性质则介于砂土与粘土之间，通气透水性较好，坝体和坝基以壤土和砂壤土为主，具体材料参数选取见表1。为充分考虑稳定渗流作用下地震边坡稳定性，对于渗透系数的参数选择见表2。

表1 龙潭水库坝区材料物理力学参数

表2 材料渗透系数

3 计算结果分析

3.1 坝顶裂缝引起坝坡局部滑动分析

由于坝顶壤土特性介于砂土与粘土之间，一旦坝顶区域出现裂缝，必定造成坝顶区域的填土材料处于饱和状态，不考虑坝顶裂缝时，降雨入渗的影响范围不足1m，考虑坝顶裂缝时，降雨入渗的影响范围达到4m以上。为对比上游坝体坝顶裂缝引起坝体稳定性，在静力条件下开展有无裂缝情况下的稳定数值模拟分析，如图2所示，坝顶无裂缝时得到的安全系数超过4.7，而有裂缝存在时安全系数仅为1.167，坝顶的安全系数下降明显，只有前者的1/3，可以看出，滑动面没有贯穿到坝坡坡脚，是坝坡局部稳定性问题，裂缝的存在使土石坝处于局部不稳定状态。

当坝顶产生裂缝后，采用拟静力法对土坝上、下游坝坡开展地震稳定性分析，分别考虑了7度、8度、9度地震强度作用，表3给出了对应的地震坝坡安全系数。通过与不考虑开裂破坏的地震边坡安全系数对比分析，可以发现坝顶开裂对坝坡抗震稳定性有显著影响，严重降低了坝坡的抗震性能，最大超过80%。对于上游坝坡稳定性，坝顶开裂引起的稳定性降低程度随着地震强度的增加而增加，而下游坝坡稳定性影响相反。坝坡开裂对上游坝坡稳定性影响较下游影响更为显著，这点在进行抗震加固时需要注意。在实际工程中，需要对土坝坝顶开裂情况进行排查，评估其对土坝抗震稳定性的影响程度，采取有效的加固修复措施，从而保证其抗震性能。

图2 静力条件下裂缝对土石坝坝顶稳定性分析图

表3 裂缝对土坝坝顶安全系数影响

3.2 水位骤降对坝坡局部稳定性的影响分析

龙潭水库控制流域面积8km2，属较小流域，洪水多由24h暴雨形成，对水库调洪演算起控制作用的洪水也是由24h暴雨形成的，当洪水水位线短期内骤降时，便会引起水库土坝坝坡的滑塌。设计洪峰水位线为坝顶位置，其稳态渗流场如图3所示。洪峰设计水位线在3h内骤降2m后，由调控稳定在53.m不变，库水骤降后的坡内渗流场及水位线如图4所示。比较图3、图4可知，库水骤降后的坝体内水头差为骤降后的坡外水位水头，坝顶处的水头还处在骤降前的状态，坡外水位线以上的坝顶部分甚至有坡内水向坡外流动的趋势。设计洪峰水位骤降曲线为3h内达到骤降位置，超过3h后坡内水位线有轻微的下降，相对骤降前的设计洪峰坡内水位线没有太大改变，坝顶坡内水位线以下部分填土在进行稳定分析时处于浮重度状态。

图5所示为库水骤降后土坝在静力条件下坝坡稳定性，经搜索得到坝顶局部浅层滑动是其最危险滑面，安全系数为1.293。图6给出了下游坝坡由于缺少坡水压力的作用，搜索得到的滑动面为贯穿整个坝体的整体滑动面，其安全系数为1.221。考虑水位骤降后土坝坝坡抗震安全性，表4列出各地震烈度下上游坝顶的稳定性安全系数。从表中可以发现水位骤降后，坝坡的抗震稳定性急剧降低，超过70%，严重影响了土坝的抗震稳定性。库水骤降引起坡内水位线下降滞后，造成没有坡水压力影响的坝顶部分填土处于浮重度的状态下，在进行坝坡安全稳定性验算时极容易出现滑塌，也就是出现坝顶的局部破坏。

图3 洪峰设计水位水库渗流场

图4 库水位骤降后水库土坝渗流场

图5 库水骤降引起的上游局部滑塌

图6 库水骤降引起的下游破坏面

4 结论

本文针对坝顶开裂和库水位骤降影响下土坝抗震稳定性问题开展分析，依托山东临沂龙潭水库土坝工程进行研究。坝顶开裂对土坝上、下游坝坡抗震稳定性影响显著，最大降低了80%。相比下游坝坡抗震稳定性，坝顶开裂对上游坝坡抗震稳定性影响更加明显，极易发生局部破坏。库水位骤降后，土坝坝坡抗震稳定性急剧降低，超过70%。因此，在实际工程中，需要重点排查坝顶开裂情况，做出相应的修复措施，保障其抗震性能。此外，当土坝经历地震后，应尽量避免立即采取排空库水位，以免余震对水位骤降后的上游坝坡产生影响。

表4 库水骤降条件下对土石坝坝顶安全系数影响