乌井水库坝体防渗墙对坝坡稳定的影响研究

胡松涛，刘 达，陈 芳，林太清，周清勇

（江西省水利科学院，江西 南昌，330029；江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌，330029）

0 引言

我国水库土石坝工程大多数建于20世纪60～70年代，受当时技术和历史条件限制，普遍存在工程质量差和病害隐患多等问题，因此导致的坝体渗漏已成为土石坝最常见的病险隐患[1，2]。坝体防渗加固大量采用增设防渗墙的方式来提高其抗渗性能[3]，目前，关于土石坝除险加固工程中增建混凝土防渗墙后是否对坝坡稳定产生影响的研究较少，工程设计上也很少考虑。土石坝坝体中建设防渗墙后，坝体的渗流场和应力场均会发生改变[4，5]，因而也必然会对坝坡稳定产生影响，值得深入研究。此外，水库运行常常会经历水位骤降的工况，库水位的骤降会引起土体孔隙水压力的瞬态变化，当库水位下降过快，土体排水时间不充分，坝体内孔隙水压力不能很快消散，在渗透力的作用下使得坝坡形成下滑的趋势，造成边坡失稳、坝顶开裂等破坏模式[6，7]。因此，系统分析防渗墙条件和水位骤降条件下对坝坡稳定的影响大小和规律，对于实际工程，尤其是在建或是修建成的许多中小型水库防渗墙的设计应用，及水库大坝工程运行管理有重要意义。

江西省乌井水库于2011年11月至2012年5月进行了除险加固，在原均质土坝的基础上采用高压喷射灌浆筑混凝土防渗墙。2015年首次发现坝顶路面出现裂缝，在2015年～2018年期间坝顶裂缝继续延伸，缝长约132m，位置紧靠坝轴线（混凝土防渗墙）前后，裂缝平均宽度3mm、最宽处40mm，最大错位约4mm。裂缝的发生、发展是否影响大坝安全已成为工程安全运行需要解决的首要问题。

目前国内外对边坡稳定分析的研究已比较成熟，分析方法众多，总体来说可以分为定性分析法和定量分析法。其中定量分析法中的极限平衡法，因其力学概念明确、计算稳定、简便而受到广泛使用，该方法根据抗剪强度准则，通过分析极限状态下的平衡来求解边坡的稳定情况，包括瑞典圆弧法、毕肖普法、泰勒法、雅可比法、摩根斯敦-普莱斯法、斯潘塞法等等[8]。

本文以乌井水库工程为研究对象，对该水库大坝边坡开展渗流及稳定性分析，以期获得水位骤降条件下增建防渗墙对坝坡稳定的影响规律，为类似水库大坝工程的运行管理提供参考建议。

1 分析方法

1.1 渗流分析

将土石坝和地基假定为各向同性多孔介质，坝体内渗流符合达西定律，渗流控制方程为：

式中：H为总水头，m；kx、ky分别为水平和垂直方向的渗透系数，cm/s或m/d；Q为边界上水的流量cm3/s或m3/d；Θ为体积含水率。

其中非饱和渗流模型采用Fredlund&Xing模型[9]，其表达式为：

式中：θ为体积含水量；θs为饱和体积含水量；us为吸力，kPa；c为残余含水量函数的土性参数，ur为参与含水量对应的基质吸力，kPa；a、b为拟合参数。

1.2 稳定计算方法

采用有限元极限平衡法进行坝坡稳定计算，其求解思路是以摩尔—库仑的抗剪强度理论为基础，将潜在滑动面范围内的坡体按一定比例剖分为若干条块，根据条块间的极限平衡条件建立静力平衡方程，考虑滑动土体的整体力矩平衡，进而根据方程计算坡体的安全系数并评价坡体的稳定性。滑动面可以假定为折线形或圆弧形，根据所假定滑动面形状的不同而采用不同的计算方法，瑞典条分法是将滑动面假定为圆弧面，不考虑条间力的作用；Bishop法在瑞典条分法的基础上进行了改进，将滑面形状假定为滑裂圆弧面、条块之间存在水平方向的作用力，无垂向作用力；摩根斯敦-普莱斯法则假定滑裂面可以是任意形状，假设潜在的滑坡体划分为无限小宽的条块，对相邻条间作用力进行假定，给出了条间合力的作用位置，通过改变条间合力的作用方向以求得最优解[10]。

弯矩平衡关系式为：

水平力平衡关系为：

式中：c、Ø分别为土条的抗剪强度参数；△L为滑动面上的各土条长度，m；LW为各土条与滑动面圆心的力矩，N·m；LN为各土条在滑动面处的中点对应其法线的力矩，N·m；α为各土条切线与水平面的夹角；R为对圆心的力矩长度，m；N为土条的法向作用力，N。

2 工程背景与现场测量

2.1 工程概况

乌井水库位于江西省南昌市湾里区招贤镇乌井村，距湾里城区3km，是一座以供水为主、兼有防洪综合效益的小型水库。水库投入运行后，进行过多次除险加固和配套整修，达现有工程规模。大坝为均质土坝，增设混凝土高喷防渗墙，坝顶高程192.55m（黄海基面，下同），最大坝高45.4m，坝顶长181m、宽8m。正常蓄水位190m，总库容448万m3。大坝上游坡面，坝顶高程至183m高程，采用预制块护坡，坡比为1：2；高程170m至183m，采用干砌石护坡，坡比1：2.5；高程170m以下，设块石棱体固脚，坡比1：1.25。大坝下游坡面，坝顶高程至171m，采用砼网格草皮护坡，171m高程以下，设置贴坡排水。

2.2 现场测量

对大坝现有的测压管进行观测，大坝共设2个观测断面，每个断面4个测压管测点，共计8个观测点，各观测点的平面布置如图1所示。

图1 监测点平面布置图

1#、2#断面测压管水位变化过程线如图2，其中防渗墙前测压管（测压管i11）前期观测处于无水状态。i22测压管由于堵塞失效，故水位基本没有变化，其余测压管测值主要受上游库水位变化的影响，上游库水位升高，测管水位升高；反之，上游库水位下降，则测管水位也相应下降；而且管水位的变化略滞后于上游水位的变化。i21和i23测压管水位相差不大，总体上i21水位略大于i23测压管水位，水位降落不明显。由于部分测压管失效，对各横断面浸润线变化规律的分析造成一定影响。但从2个断面防渗墙前后测压管水位的总体对比来看，乌井水库防渗墙截渗作用较小，库水位升降对防渗墙前后坝体土的影响较为接近。

图2 测压管水位变化过程线

3 坝体渗流及稳定计算

3.1 计算模型

为了分析乌井水库大坝库水位变化对坝体渗流及稳定安全的影响，根据乌井水库结构尺寸及材料力学性质，建立数值计算模型如图3，乌井水库大坝防渗墙轴线位于坝轴线上，厚度0.25m，墙顶高程190.5m。上游采用块石棱体固脚，上游坝坡坡比1：2.0/1：2.5，下游坝坡坡比1：1.85/1：2.0。根据乌井水库坝坡相关设计资料、场地勘察报告及地形测绘资料，选取设计典型剖面分析坝坡安全稳定，初始条件为稳态渗流场，求解方程的有限元程序采用Galerkin加权残数法原理，采用有效应力法结合M-P法，分析坝坡在增设防渗墙前后、水位骤降条件下的稳定性。

图3 乌井水库大坝计算模型

3.2 计算参数

乌井水库坝体为粉土质砂，坝基为花岗岩岩体，其中坝基风化岩体主要集中在大坝下游侧。根据工程地质报告确定坝体、坝基岩体等材料计算参数，如表1所示。

表1 材料计算参数

在模拟饱和―非饱和渗流场时，将坝体视为非饱和材料，采用饱和/非饱和模型，坝基采用饱和模型。混凝土防渗墙采用高压喷射灌浆构筑，防渗墙抗渗系数为1.00×10-7cm/s，岩土体的材料计算本构模型采用弹塑性模型Mohr-Coulomb准则[11]，其屈服函数为：

式中：I1为第一应力不变量；θσ为洛德角，-30°≤θσ≤30°；J2为应力偏量的第二不变量；φ 为内摩擦角，°。

3.3 数值计算结果

库水位下降主要靠涵管实现，以平均过流流量计算，正常蓄水工况库水位190m，下降前后的孔隙水压力和应力分布如图4、图5所示。

图4 乌井水库大坝孔压等值线图

图5 乌井水库大坝有效应力等值线图

防渗墙具有明显的截渗作用。建设防渗墙前的墙体位置处浸润线高程为185.9m，而建设防渗墙后墙体前后的浸润线高度分别为189.3m和164.5m。建设防渗墙后上游坝坡浸润线有所抬高，墙前位置抬高约3.4m；而下游坝坡浸润线则有明显降低，墙后位置降低约21.4m。

增建防渗墙前后坝体应力分布规律发生明显改变，由于坝体土中的孔隙水压力发生变化，墙前土体孔隙水压力大于墙后土体，相应出现墙后土体的有效应力大于墙前土体，且最大应力均在坝体底部。

水位骤降是引起土石坝失稳的重要诱因，当洪水水位线短期内骤降时，易引起水库坝坡的滑塌，分析模拟水位骤降过程，计算乌井水库库水位骤降条件下，增设防渗墙前后坝坡稳定安全系数。水位骤降的模拟过程假定为：水位由正常蓄水位190m降至160m，历时10天、6天、3天，下降速度分别为 3m/天、5m/天、10m/天，初始条件为长期浸泡下的稳态分析结果。限于篇幅，以上游坝坡为例，图6、图7分别给出增建防渗墙前后，水位骤降前和水位骤降达到最低水位且稳定后的最危险滑面及其安全系数。图8给出了不同骤降速度下的坝坡稳定安全系数随时间变化过程。

图6 水位骤降前上游坝坡最危险滑面

图7 水位骤降后（达到稳定后）上游坝坡最危险滑面

图8 不同骤降速度下的坝坡稳定安全系数历时曲线

上游坝坡安全系数随着水位骤降而降低，当下降到最低水位时，安全系数达到最低，随后呈现缓慢上升的趋势，最终保持稳定。产生这种现象的原因是，水位下降导致水头差剧烈变化，使得边坡稳定性下降，此时，坝坡岩土体的内部基质吸力没有及时上升，随着水位不再下降，坝坡内部随着孔隙水压力消散其基质吸力逐渐恢复，土体抗剪强度逐渐回升，而使得稳定安全系数有所上升。

下游坝坡安全系数随着水位骤降而缓慢增大，但增大幅度较小，其主要原因是，随着水位下降，上游静水压力减小，下游坝坡下滑趋势减弱，但由于上游的静水压力并不直接作用于下游滑坡体，故影响有限。

为了便于比较分析增建防渗墙前后的坝坡稳定安全系数变化情况，分别给出不同水位骤降速度，增建防渗墙前后、上下游坝坡的稳定安全系数历时曲线如图8。

增建防渗墙后上游坝坡的稳定安全系数减小，这是由于防渗墙的存在使得坝体渗流更多累积在上游坝体，上游坝坡趋于更不稳定，但由于上游坝坡为迎水坡，上游坡体无论是否增建防渗墙都趋于饱和渗流状态，故对安全系数减小的幅度不大，仅降低约0.5%，可忽略不计。增建防渗墙对于下游坝坡的稳定安全系数影响较大，安全系数提升20%，这是因为防渗墙的存在阻截了上游库水位的渗流作用，减轻了下游坝坡的渗透压力，使得下游坝坡的稳定安全系数上升。

为了便于观察水位骤降速度对坝坡稳定的影响，分别给出增建防渗墙前后，不同骤降速度下的坝坡稳定安全系数历时曲线，如图9所示。

图9 坝坡稳定安全系数随水位骤降的历时曲线

水位骤降速度越大，上游坝坡稳定安全系数下降越快，骤降达到的最小坝坡稳定安全系数越小，对于坝坡的稳定越不利。随着骤降结束，此时坝体土孔隙水压力逐渐消散，而使得稳定安全系数有所回升，骤降速度越大，回升后的安全系数越大，最终逐渐趋于稳定值；在骤降工况下，防渗墙对坝坡稳定的影响不明显。

4 结论

通过对乌井水库水位骤降条件下，增设防渗墙前后的坝坡稳定分析计算，可以得出以下结论：

（1）防渗墙具有明显的截渗作用，建设防渗墙后上游坝坡浸润线有所抬高，下游坝坡浸润线则有明显降低；墙前土体孔隙水压力大于墙后土体，相应出现墙后土体的有效应力大于墙前土体。

（2）增建防渗墙，上游坝坡的稳定安全系数会降低，但降低幅度较小，仅降低约0.5%，可忽略不计，这是由于防渗墙的存在使得坝体渗流更多累积在上游坝体，使得上游坝坡趋于更不稳定，但由于上游坝坡为迎水坡，上游坡体无论是否增建防渗墙都趋于饱和渗流状态，故对安全系数影响的幅度很小。

（3）增建防渗墙，下游坝坡的稳定安全系数会增大，安全系数提升了20%，这是因为防渗墙的存在阻截了上游库水位的渗流作用，减轻了下游坝坡的渗透压力，使得下游坝坡的稳定安全系数上升。尽管增建防渗墙对于上游坝坡的稳定性不利，但影响有限，总体而言，增建防渗墙更有利于坝坡稳定。

（4）水位骤降导致水头差剧烈变化，边坡稳定性下降，随着水位不再下降，坝坡内部随着孔隙水压力消散其基质吸力逐渐恢复，土体抗剪强度逐渐回升，而使得稳定安全系数有所上升，在骤降工况下，防渗墙对坝坡稳定的影响不明显；水位骤降速度越大，上游坝坡稳定安全系数下降越快，达到的最小坝坡稳定安全系数越小，对于坝坡的稳定越不利。故在水库运行过程中，如遇需降低库水位时，应减小水位下降速度，有利于上游坝坡的总体稳定性。

（5）增建防渗墙对乌井水库坝坡稳定的不利影响较小，正常运行条件下可忽略不计。