库水位骤降偶遇地震作用下黏土心墙坝渗透及抗震稳定性分析

吴 平， 万燎榕

(江西省水利规划设计研究院， 江西 南昌 330029)

1 研究背景

近年来，我国发生了许多水库库岸滑坡事故，大量的滑坡体滑入水库，不仅减少了水库的有效库容，而且滑坡体高速滑入水库时造成大量的涌浪，威胁大坝安全以及库区周边人民群众生命财产安全[1-3]。库水位的循环涨落是影响库岸边坡稳定性的一个主要因素。大多数学者都认为库水位骤降时，由于坡内水位滞后于坡外水位，坡内渗流水产生指向坡外的渗流力，从而降低了土体强度，导致边坡失稳破坏[4-6]。国内外众多学者对水位骤降对临水边坡的影响进行大量的数值模拟、模型试验以及现场监测等研究。李卓等[7]根据自主设计的试验开展了降雨与库水位共同作用下边坡滑坡研究，结果表明在库水位剧烈变化以及降雨的双重作用下，边坡的有效应力减小，坡面产生塌陷裂缝。赵瑞欣等[8]以三峡库区凉水井滑坡为例，运用数值软件模拟不同库水位骤升和骤降速率下边坡的稳定性变化规律。张珂峰[9]利用有限元软件研究了库水位骤降与降雨条件下深浅层边坡的稳定性。芈书贞等[10]运用数值计算软件模拟了库水位急剧变化时边坡土体Fredlund非饱和参数对边坡渗流特性及稳定性的影响规律。李鹏岳等[11]借助Geostudio模拟了不同库水位升降速率下库岸的稳定性变化趋势。岑威钧等[12]模拟了水位骤降期间偶遇地震作用时高土石坝抗震安全稳定。陈铸等[13]结合振动台试验以及数值模拟研究了库水与地震力共同作用下某边坡的动力响应。

然而这些研究都没有涉及到不同库水位骤降速率下发生地震时土石坝坝坡的渗透及抗震稳定性。因此，本文以某黏土心墙土石坝为研究背景，利用Geostudio中的Seep/w、Slope/w以及Quake/w模块对不同库水位骤降速率以及偶遇地震情况下其上下游坝坡的渗流特性以及稳定性变化趋势进行研究，为水库的安全运营提供一定的参考。

2 理论背景

2.1 非饱和理论

库水位骤降时，土石坝坝体上、下游堆石区呈现出典型的饱和-非饱和渗流特性，特别是上游堆石区内的孔压力出现较大的波动，饱和-非饱和渗流[14]的张量形式如下：

(1)

2.2 非线性材料模型

本文进行动力模拟时采用Geostudio中Quake/w中的非线性材料模型，本文主要研究对象为坝体上下游堆石区，QUAKE/w提供的粗粒土的剪切模量表达式如下：

(2)

(3)

2.3 坝坡永久变形

本文采用1965年Newmark[15]提出的地震下边坡的永久变形分析方法，即同时计算多个潜在滑动面并且计算出最大变形边坡滑动面，在获得最大变形的滑动面后Geoslope计算出安全系数Fs为1时的屈服加速度ay以及该潜在滑动面随时间变化的平均加速度a，对(a-ay)关于时间二次积分即可得到潜在滑动面的Newmark边坡永久位移大小。

3 计算模拟

3.1 工程概况

宜春市温汤河四方井水利枢纽工程中的拦河坝为黏土心墙土石坝，从上游到下游依次为上游围堰、上游堆石区、过渡层、黏土心墙、下游堆石区以及下游堆石棱体。坝顶高程为156.20 m，正常蓄水位为152.0 m，死水位为125 m，典型剖面如图1所示。

3.2 计算模型

模型网格图如图2所示，地基厚度取为50 m，长305 m，地面高程(110 m)取为0，则死水位为15 m，正常蓄水位为42 m。N1、N2、N3、N4、N5和N6分别为上下游堆石区内不同位置的监测点。网格单元类型主要为三角形和四边形。为了更准确地反映上下游堆石体内不同监测点的孔隙水压力变化，取上下游堆石体和心墙部分的划分网格尺寸为1.5 m，其余部分取3.5 m，全局共划分3 854个单元，3 896个节点。

3.3 土体参数

黏土心墙土石坝各区域的物理力学参数如表1所示，土水特征曲线采用Fredlund&Xing模型[14]， 描述土水特征曲线 (SWCC曲线) 是衡量土体内部渗透系数和体积含水率与基质吸力之间的关系的重要曲线，如图3所示。

根据可研性研究报告，库区的地震动峰值加速度为0.15g，相应的地震烈度为Ⅶ度。本次数值模拟采用国际上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度时程曲线，为缩短计算时间截取地震振幅较大的前30 s作为输入波，在对地震波进行滤波以及基线校正处理的基础上将其峰值调为0.15g(g=10 m/s2)，图4为校正后的加速度时程曲线。

图1心墙坝典型剖面图 图2模型网格图

表1 坝体材料力学参数

图3 坝体堆石区及心墙土水特征函数曲线

图4 校正后水平向加速度时程曲线

4 计算结果分析

4.1 不同骤降速率上下游堆石区孔隙水压力分析

为反映黏土心墙土石坝在不同库水位骤降速率下(0.5、1.0、1.5 m/d)，从正常蓄水位(152 m)降落至死水位(125 m)过程中上下游堆石区不同位置的渗流特性，设置不同监测点进行详细分析。监测点位置如图2所示，其中N1、N2、N3分别位于上游堆石区的上部、中部、下部位置，N4、N5、N6分别位于下游堆石区的上部、中部、下部位置。本次模拟时长为180 d，包括库水位骤降期与库水位保持恒定期。不同库水位骤降速率上、下游各监测点孔隙水压力随时间的变化分别见图5、6。从图5(a)可以看出，随着库水位骤降速率的增大，上游堆石区的上部监测点的孔隙水压力减小速率也增大，且库水位骤降速率为1.0和1.5 m/d的孔隙水压力变化曲线非常接近。第55～180 d内，三者不同骤降速率下的孔隙水压力变化曲线几乎重合；在库水位降落至死水位后该监测点的孔隙水压力仍在继续减小，但是减小速率趋于平缓。图5(b)与5(a)有着相似的变化规律，但是从图 5(b)可知在库水位骤降的第100～180 d之间，不同骤降速率下的孔隙水压力开始趋于一致，并且保持不变。对于图5(c)，由于下部监测点一直位于库水位以下或库水面以上，所以其孔隙水压力为线性变化，且当库水位降至死水位后，其孔隙水压力就保持不变。综合比较图5(a)、5(b)和5(c)可知，监测点离库水位越远，其孔压呈现出越明显的非线性变化，不同库水位骤降速率下孔压的趋同性越高，孔压力达到稳定所需时间越长；在库水位降落至死水位且经过一段比较长的时间后，库水位以上的土体中的孔隙水压力会趋于一个变化区间，上中部监测点最后的孔隙水压力为-130～-125 kPa；上游各监测点的孔压值变化范围在130～264 kPa。

从图6(a)可以看出，在3种不同库水位骤降速率下，上部监测点的孔压力变化几乎相同，在库水位开始骤降的前26 d内，孔隙水压力变化幅度非常小，在27～180 d之间孔隙水压力几乎呈现线性变化，总体的孔压力变化范围约为18 kPa，图6(b)的变化规律与图6(a)类似，只是在0.5 m/d的库水位骤降速率下孔压力的变化要小于1.0和1.5 m/d的库水位骤降速率。图6(c)为下部监测点的孔压力变化曲线，从图中可以看出在库水位开始骤降的前10 d内孔隙水压力几乎保持不变，在第11～150 d孔隙水压力呈非线性变化，第151～180 d孔隙水压力又达到一个稳定的状态。从图6(a)、6(b)、6(c)可知，监测点离下游地下水位越远，不同库水位骤降速率下的孔隙水压力变化区别越不明显，孔隙水压力也越难以达到稳定状态，孔隙水压力响应库水位骤降的时间也越长。下游各监测点的孔压变化范围在18～27 kPa之间。

图5 不同库水位骤降速率上游监测点孔隙水压力随时间变化图

图6 不同库水位骤降速率下游监测点孔隙水压力随时间变化图

对比上下游堆石区内不同位置监测点的孔隙水压力随时间变化规律可知，上游监测点的总体孔压力变化值较下游大，孔压力响应库水位骤降的时间和达到稳定值所需的时间均较下游短。

4.2 不同库水位骤降速率上下游堆石区稳定分析

图7为上下游堆石区在不同库水位骤降速率下的安全系数变化图。从图7(a)可看出，不同库水位骤降速率下上游坝坡的安全系数总体是先减小后增大再保持不变。库水位骤降速率越大，出现最小安全系数的时间越早，最小安全系数越小。在库水位骤降速率分别为0.5、1.0、1.5 m/d时，最小安全系数分别出现在第54、27和18 d，恰好是库水位以不同骤降速率降落至死水位时的时间点。当库水位骤降至死水位之后，各骤降速率下的最小安全系数都有所上升但均小于初始安全系数，并在之后保持同一恒定的安全系数，这是因为当作用在上游坝坡面的水压力慢慢消失后，坝坡减少了一个支撑力，坝坡的安全系数慢慢减小，之后死水位以上的坝坡土体的强度不断增强，安全系数有所上升。

对于下游坝坡，不同库水位骤降速率下安全系数呈现出不断增大后保持不变的趋势，库水位骤降速率越大，最大安全系数出现的时间越早，最大安全系数越大，但是最大安全系数差值不大，为0.01。由于上游水位不断下降，下游堆石区内的浸润线高程也不断下降，下游坝体的非饱和区域增大，土体强度不断增大，所以安全系数不断增大。

对比上下游坝坡的安全系数可知，上游坝坡的初始安全稳定系数要大于下游，但是库水位骤降使得上游坝坡的稳定性大大降低，需要引起重视。

4.3 不同库水位骤降速率下偶遇地震上下游堆石区抗震稳定分析

图8和9分别为不同库水位骤降速率上、下游坝坡的动力响应图。

图7 不同库水位骤降速率上下游坝坡安全稳定系数随时间变化图

图8 不同库水位骤降速率上游动力响应图

图9 不同库水位骤降速率下游动力响应图

地震可能发生于库水位骤降的任意时刻，所以限于篇幅，本文假定库水位骤降至死水位时刻发生地震，即分别对应t=18,27,54 d时刻。从图8(a)可以看出，不同库水位骤降速率下的上游坝坡安全系数过程线变化规律基本一致，库水位骤降速率越小，总体安全系数越大，由此可见库水位骤降速率越大，坝坡在地震作用下的稳定性越差。从图8(b)也可以看出，库水位骤降速率与地震作用下Newmark位移呈正相关，在库水位骤降速率为0.5、1.0、1.5 m/d下，上游坝坡的永久变形分别为0.144、0.186和0.215 m。从图9(a)、9(b)可以看出，对于下游坝坡而言，不同库水位骤降速率下的坝坡安全系数过程线几乎重合在一起，不同库水位骤降速率下游坝坡永久变形分别为0.0907、0.0960和0.1020 m。由此可见，下游坝坡的安全系数稳定系数与库水位骤降速率相关性低。对比上、下游坝坡安全稳定系数曲线可得，下游坝坡的安全稳定系数相较于上游明显提高，这主要是因为虽然上游库水位骤降速率不同，但是由于心墙消耗了大量的水头，下游堆石区内的浸润线位置变化不大，孔隙水压力受上游库水位骤降影响小，而且下游堆石区内的非饱和区域大于上游堆石区，土体的强度比上游大。

综上所述，不同库水位骤降速率下黏土心墙土石坝的上游边坡为抗震稳定薄弱区，库水位骤降速率越大，抗震稳定性越差，但同时也要对下游坝坡的安全稳定做出相应的防护措施。

5 结 论

(1)在不同库水位骤降速率下，上游堆石区内的监测点离库水位越远，则孔压力呈现出越明显的非线性变化，孔压力之间的变化区别越小，孔压力达到稳定值的时间越长，稳定值越小。对于下游堆石区来说，监测点离下游地下水位越远，不同库水位骤降速率下的孔隙水压力变化区别越不明显，孔隙水压力也越难以达到稳定状态，孔隙水压力响应库水位骤降的时间也越长。

(2) 不同库水位骤降速率上游坝坡的安全系数总体上是先减小后增大再保持不变。库水位骤降速率越大，出现最小安全系数的时间越早，最小安全系数越小。对于下游坝坡而言，不同库水位骤降速率下安全系数呈现出不断增大后保持不变的趋势，库水位骤降速率越大，则最大安全系数出现的时间越早，最大安全系数也越大，但是差别不大。

(3)在库水位骤降至死水位时偶遇地震情况下，上游坝坡的安全系数变化过程线变化规律基本一致，库水位骤降速率越大，则安全系数越小，Newmark位移越大。对于下游坝坡而言，不同库水位骤降速率对下游坝坡的安全系数影响不大，下游坝坡的安全系数过程线基本一致。

(4)无论在何种情况下，库水位骤降对于上游坝坡的稳定性影响要大于下游坝坡，在水库管理运行过程中应尽量避免库水位骤降的发生，同时加强上下游坝坡的安全稳定性。