水位升降条件下驮英水库上游围堰渗流及稳定性分析

劳乃胜，王金龙，周欣华

（1.崇左市左江治旱工程管理中心，广西 崇左 532200；2.长江水利委员会长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；3.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010）

0 引言

围堰作为河道中修建的临时挡水建筑物，主要用来维护永久水工建筑物的干地施工，其自身安全直接关系到主体建筑物的施工安全、工期及造价等。因此，围堰自身稳定性对于整个工程极其重要［1］。

渗流问题与土石围堰的安全运行有着紧密的联系，很多土石围堰的失事都是水体的渗透造成的。坝体出现渗漏问题后会出现不利的渗流场分布，从而导致土石围堰发生渗透变形，更严重的会导致围堰堰体边坡滑移或垮塌[2]。此外，水位骤升或骤降都将使土石围堰堰体内渗流场在短时间内发生较大的变化，进而影响堰体尤其是上游迎水坡的稳定性。长期蓄水后水位骤降，土石围堰上游迎水坡由于孔隙水压力来不及消散形成向边坡渗流，当水库内的水位降低后土坝内的浸润面依然处于较高位置，不但造成土坝内土料的容重随着水位变化而改变，还产生非稳定渗流现象和渗透压力，使得土体颗粒间的有效应力快速变小，降低坝体土料的抗剪强度，从而影响到坝体的安全稳定性[3]。库水位骤升对上游迎水坡的稳定也是不利的。因此，有必要对库水位骤升骤降工况下土石围堰进行渗流及稳定性分析，为围堰安全评价提供参考[4]。

1 工程概况

驮英水库主要建筑物有沥青混凝土心墙堆石拦河坝、右岸溢洪道、右岸河道电站发电引水隧洞、右岸泄洪隧洞、左岸灌溉发电引水系统、渠首电站厂房、坝后河道电站厂房及场内永久交通道路等。

拦河坝采用沥青砼心墙堆石坝坝型，最大坝高为72.2 m，坝顶总长为225 m，坝顶宽8 m，坝顶高程为233.2 m，坝顶防浪墙顶高程234.4 m，坝基面最低高程为161 m。坝体材料分区：从上游往下游依次分为上游干砌石护坡、主堆石IA区、主堆石IVA区、次堆石IIA 区、过渡层IIIA 区；沥青混凝土心墙；过渡层IIIB 区、主堆石IB 区、次堆石表面保护层堆石IVB区、次堆石IIB区及下游干砌石护坡等。

拦河坝上游围堰填筑施工断面见图1。堰体上游采用土工膜防渗，堰体填料采用强风化料，上游设计坡比为1∶2.5，下游设计综合坡比为1∶1.8。在高程178～183 m 范围内填料的粘粒含量较高，透水性相对较弱。

图1 上游围堰计算断面图

依据导流洞泄洪全年10年一遇库水位过程，库前水位降落条件为：0～第55 小时为水位上升过程，水位由176.0 m 升高至205.83 m，第55～第100 小时为水位降落过程，水位由205.83 m降落至182.97 m。本文针对施工期围堰挡水度汛工况开展渗流与稳定性分析。

2 基本理论

2.1 渗流基本理论

根据达西定律和质量守恒连续性原理，以压力水头为未知量，二维饱和-非饱和渗流的基本方程为：

式中：kr为相对渗透率；kij为饱和渗透张量；h为压力水头；x2为正向向上的铅直坐标；C为比容水度；β为系数，非饱和区β=0，饱和区β=1；Ss为单位贮存量；t为时间；S为源汇项。

定解条件包括初始条件和边界条件。

2.2 稳定性分析理论

采用简化Bishop法对坝坡进行稳定性分析，由圆弧滑面确定的滑体被分成n 个垂直条块。第i 条块宽度bi，底面倾角αi，条块体重力Wi，水平条间作用力Ei和Ei+1，垂直条间作用力（条间剪力）Xi和Xi+1，条底法向作用力Ni，条底剪力Ti，水压力的合力Ui，滑面内擦角φi，黏聚力ci。滑面安全系数为Fs。A.W.Bishop 假设整个滑面抗剪强度按同一比例调用（亦称Bishop安全系数）。

稳定安全系数的计算公式：

（1）检验结果比较。47例肺部孤立性肺结节患者均接受CT增强扫描与常规病理检查，比较2种检查方式的检验结果。

依据非饱和土渗流理论和极限平衡理论，本文运用有限元分析软件GeoStudio 对库水位升降条件下围堰渗流场及稳定性进行模拟分析。

3 渗流及稳定性分析

3.1 模型建立

围堰汛期非稳定渗流主要是分析上游水位上升和降落过程中，堰体内水位上升和消落过程，分析的重点区域是堰体，由于基础开挖至岩土分界线，因此堰基部分的渗流场分布对于降落期堰体的水头分布影响较小，计算模型只考虑堰体部分。

堰体从上游至下游分为4个填筑分区：护坡、反滤垫层、过渡料（含防渗土工膜）、堆石料。堆石料依据填料检测和试验成果，又分为下部、中部、上部3个分区。

3.2 参数条件

堆石料建基面至178 m 高程为下部，饱和渗透系数为1.0×10-5cm/s；178～183 m 高程为中部，饱和渗透系数为1.15×10-6cm/s；183 m至堰顶为上部，饱和渗透系数为1.6×10-3cm/s。考虑防渗土工膜失效的不利工况，土工膜所在的过渡料渗透系数取值为1.0×10-5cm/s。围堰渗流及稳定性计算中材料介质的基本物理力学参数见表1。

填料名称护坡垫层过渡料堆石料上部（183 m至堰顶）堆石料中部（175～183 m高程）堆石料下部（175 m以下）干密度/（g/cm3）2.06 2.06 2.06抗剪强度指标c/（kPa）15.3 15.3 15.3 φ/（°）26.7 26.7 26.7渗透系数/（cm/s）1.0×10-3 1.0×10-3 1.0×10-5 2.11 26.8 27.3 1.6×10-3 1.90 15.3 26.7 1.15×10-6 2.11 26.8 27.3 1.0×10-5

3.3 计算工况

本次计算的运行工况主要为施工渡汛期，考虑围堰挡10年一遇洪水，同时计算洪水过后上游水位的退水工况，计算不同退水时间的非稳定渗流浸润线时上、下游堰体坝坡的抗滑安全系数，为了了解退水过程上游边坡局部抗滑稳定性，增加退水过程定折线滑弧局部稳定性计算工况。具体计算工况见表2。

方案编号F1 F2 F3条件及说明上游水位176 m，下游水位164，0 m，稳定渗流；结果作为非稳定渗流的初始条件。上游水位205.83 m，下游水位164，0 m，稳定渗流；结果可作为水位升降过程非稳定渗流的对照，并可作为堰体稳定计算的不利水位条件。上游水位对应导流洞泄洪全年10年一遇库水位过程，上游水位先升后降，历时100 h。

3.4 渗流计算分析

稳定渗流场水头等值线分布，非稳定渗流堰体浸润线升降过程见图2。

方案F1为稳定渗流，上游水位为176.0 m，下游水位为164.9 m，堰体自由面较平缓，下游坡面出逸点高程为165.59 m，堰脚处出逸比降约为0.55。

图2 渗流计算渗流场成果图

方案F2 为稳定渗流，上游水位为205.83 m，下游水位为164.9 m，此工况堰体水位最高，可作为堰体稳定分析不利的水位条件，下游坡面出逸点高程为186.58 m，出逸比降为0.415，位于堆石料上部。

3.5 稳定性分析

根据上述计算断面、计算参数、水位等计算条件和计算方法，对围堰上、下游边坡施工度汛期的运行工况进行了稳定性计算分析，各工况的抗滑安全系数见表3。最小抗滑安全系数对应的滑弧位置见图3、图4。

在不考虑围堰土工布防渗条件下的堰体边坡稳定性计算成果表明：

（1）围堰汛期正常挡水形成稳定渗流状态时（水位205.83 m），上游边坡的抗滑安全系数为2.65，满足规范要求，而下游边坡的抗滑安全系数只有0.97，不满足规范要求，主要是由于上游坡未考虑土工膜防渗，坡体浸润线位置与出逸点均较高，属于极端工况。

（2）涨水过程中，考虑较短时间涨至汛期正常挡水水位205.83 m 时，随着水位上升，上游边坡的抗滑安全系数增大，下游边坡的抗滑安全系数基本维持不变，为1.44，上、下游边坡的抗滑安全系数均满足规范要求，主要是由于涨水时间较短，坡体未形成稳定渗流状态，浸润线位置相对较低。

（3）退水期考虑围堰上游短时间内涨至汛期正常水位205.83 m后即时退水，退水期坡体渗流场处于非稳定渗流状态，坡体浸润线与涨水过程的浸润线位置基本一致，随着水位的下降，上游边坡的抗滑安全系数减小，而下游坡的抗滑安全系数基本维持不变，整个退水过程围堰上、下游边坡的抗滑安全系数，均满足规范要求。围堰上游坡综合坡比较小，定折线局部滑弧的抗滑安全系数均大于对应整体滑弧安全系数，说明计算退水过程中出现浅层脱坡的可能性不大。但仍需注意在有土工膜的实际条件下，由于土工膜阻止坡内水的出溢，而在退水过程可能发生的局部破坏。

工况编号F2备注稳定渗流期堰前水位及浸润线205.83 m水位稳定渗流期上升20小时水位182.81 m上升40小时水位183.87 m上升55小时水位205.83 m退水20小时水位190.13 m稳定标准1.25抗滑安全系数涨水期1.25退水期F3 1.44滑面特性整体滑动整体滑动整体滑动整体滑动整体滑动局部滑动整体滑动局部滑动整体滑动局部滑动退水40小时水位183.87 m 1.25下游坡0.97 1.44 1.44 1.44 1.44非稳定渗流期退水45小时水位183.0 m上游坡2.65 1.93 2.10 4.35 2.25 3.19 1.95 2.74 1.91 2.74 1.44

图3 方案F2汛期高水位稳定渗流期典型滑弧图

图4 方案F3汛期库水升降过程围堰上游边坡典型滑弧图

4 结论

（1）汛期高水位稳定渗流工况堰体水位最高，堆石料出逸比降为0.415，上游边坡的抗滑安全系数为2.65，满足规范要求；而下游边坡的抗滑安全系数只有0.97，不满足规范要求，该安全系数值反映上游坡考虑土工膜防渗失效且长期未有效退水的状态，坡体浸润线位置与出逸点均较高，属于极端工况。汛期在该条件下建议考虑对围堰下游坡进行反滤保护和压坡处理。

（2）施工期度汛水位先升后降，非稳定渗流计算结果表明：由于上游侧过渡区渗透性较低，库水位上升时间较短，坡体未形成稳定渗流状态，浸润线位置相对较低。上游水位变动，只对过渡料上游侧区域影响较大，对下游侧的堰体影响很弱，历时100 h 先升后降的非稳定渗流过程中，堰体水位基本与初始时刻相同。

（3）涨水过程中，随着水位上升，上游边坡的抗滑安全系数增大，下游边坡的抗滑安全系数基本维持不变。退水过程中，随着水位的下降，上游边坡的抗滑安全系数减小，而下游坡的抗滑安全系数基本维持不变，整个退水过程围堰上、下游边坡的抗滑安全系数，均满足规范要求。

（4）围堰上游坡综合坡比较小，定折线局部滑弧的抗滑安全系数均大于对应整体滑弧安全系数，说明计算退水过程中出现浅层脱坡的可能性不大。但仍需注意在有土工膜的实际条件下，由于土工膜阻止坡内水的出溢，而在退水过程可能发生的局部破坏。