均質(zhì)土壩水位降落工況擬定及其對壩坡穩(wěn)定影響的探討

王民俠

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 概述

土石壩壩坡穩(wěn)定的計算依據(jù)隸屬巖土范疇，受限于其非均質(zhì)性及彈塑性體的特性，計算中許多假定與實際情況存在一定差距，計算結果是半理論半經(jīng)驗的，能用作定性判斷，但不能作為設計決策的唯一依據(jù)[1]，土力學奠基人太沙基曾說過，土力學既是一門科學又是一門藝術，有時候經(jīng)驗判斷比理論計算還要切合實際，設計中經(jīng)驗積累及借鑒尤為重要。

粘性土均質(zhì)土壩在庫水位降落工況下，降落后浸潤線與上游壩坡交界范圍內(nèi)的壩體飽和水排向庫內(nèi)，滲水方向為由壩內(nèi)滲至上游坡外，是影響上游壩坡穩(wěn)定的最不利工況，通常需采用放緩上游壩坡的處理措施。因此，庫水位降落前后浸潤線的確定成為此工況壩坡分析的關鍵因素，合理設定水位降落時的降速、降幅及放空可能性，對設計及水庫安全運行至關重要。

2 水位降落工況的控制因素

2.1 計算采用的抗剪強度指標

在土石壩壩坡穩(wěn)定分析計算中對筑壩土料的抗剪強度指標進行分析研判非常重要。

（1）試驗方法

復核抗剪強度指標的試驗方法與規(guī)范規(guī)定是否一致，是進行壩坡穩(wěn)定分析的首要工作。對于粘性土料，規(guī)范明確有效應力法指標采用三軸儀固結排水剪（CD）或固結不排水剪測孔壓（CU）或直剪儀慢剪指標（S），總應力法采用固結不排水剪指標（CU）。許多中小型水庫或前期設計階段為了測試方便往往提供的是快剪指標，試驗方法的差異勢必會引起計算結果的變化，因而在下達地勘任務書時就應明確各工況抗剪強度指標的試驗方法。

（2）抗剪強度指標取值

《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL 274-2001）第D.1.3 條第一款規(guī)定，粘性土料的抗剪強度指標當取樣數(shù)大于11 組時宜采用小值平均值[2]，有些工程在取樣數(shù)大于11 組時，為了偏于安全建議抗剪強度指標會遠低于小值平均值，這時就需要設計人員根據(jù)試驗參數(shù)分析論證后進行選取，而不能盲目采用地質(zhì)建議指標。

我院已建及在建的咸陽市亭口水庫工程、延安市南溝門水庫工程、銅川市龍?zhí)端畮旃こ獭⑽寄鲜谐辄S供水北灣調(diào)蓄池工程以及長武縣鴨兒溝水庫工程填筑土料均采用低液限粘土，現(xiàn)將各工程設計采用指標列于表1，可供同類水庫設計借鑒。亭口大壩土料巖性為中、上更新統(tǒng)風積、風洪積黃土、黃土狀壤土夾古土壤，硬塑～堅硬，土質(zhì)較均勻，粉粒含量73.8%，粘粒含量24.1%；南溝門大壩料場堆積層以Q3黃土和Q2黃土狀壤土為主，土料粉粒含量79.9%，粘粒含量10.4%，砂粒含量9.7%。銅川市龍?zhí)洞髩瓮亮蠋r性由上部Q3eol黃土、古土壤及下部Q2eol+pl黃土狀壤土夾古土壤組成，粉粒含量71.9%，粘粒含量28.1%；北灣調(diào)蓄池池堤料場巖性上部為第四系上更新統(tǒng)風積堆積（Q3eol）黃土，下部為上更新統(tǒng)沖積堆積（Q3al）砂壤土夾壤土，土料粉粒含量74.7%，粘粒含量24.9%，砂粒含量0.5%。

表1 各工程土料抗剪強度取值表

（3）計算結果取值

《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL 274-2001）第D.1.2 條規(guī)定，庫水位降落期應同時采用有效應力法和總應力法，并以較小的安全系數(shù)為準[2]，由表1 可知，低液限粘土當內(nèi)摩擦角增大時凝聚力將相應降低，據(jù)筆者計算經(jīng)驗可知，大多數(shù)工程都是總應力指標計算結果偏低，是控制邊坡穩(wěn)定的關鍵指標，建議地質(zhì)單位在提供固結不排水剪總應力指標時應以試驗值為基準，類比同類工程后慎重確定。在計算前期也可估算等代內(nèi)摩擦角法確定計算應采用指標，較小的等代內(nèi)摩擦角往往是控制計算結果的關鍵指標。對計算結果要根據(jù)經(jīng)驗進行定性判斷，一般情況下上游壩坡在水位降落期安全系數(shù)較小，穩(wěn)定滲流期安全系數(shù)較大，如果出現(xiàn)反常情況就要對計算參數(shù)及計算過程進行檢查分析。

2.2 水位降落工況擬定

根據(jù)擬定的水庫運行方式可知上游水位的最大降幅和最快降速，降幅越大降速越快對上游壩坡的穩(wěn)定影響也越大，計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)將趨小。均質(zhì)土壩上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨降速的加快而降低，我國因庫水位降落導致滑坡的土石壩統(tǒng)計結果表明[3]：已發(fā)生上游邊坡滑動的土石壩，平均庫水位降速為0.35 m/d～1.15 m/d，水位降幅為7.25 m～23.95 m。水位降速及降幅過大時，未考慮水位降落工況擬定的上游壩坡就有滑坡可能，在檢修放空水庫時要特別注意。

2.2.1 咸陽市亭口水庫工程水位降落工況擬定

亭口水庫位于咸陽市長武縣，工程主要任務為工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水，并兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用。均質(zhì)土壩為2 級建筑物，最大壩高47.8 m，壩頂寬10 m。該工程入庫水少沙多，水沙運行方式為適時相機迅速降低庫水位敞泄排沙。為保證排沙效果，水庫水位日降落幅度達8 m，最大降幅35 m（自正常蓄水位893.0 m 降落至排沙水位858.0 m），且此工況在該水庫運行中屬正常運用條件。庫水位降落期黏性土三軸飽和固結不排水剪總應力指標為：ccu=26kPa，φcu=16.5°，水位降速屬驟降，水位降落前后均采用穩(wěn)定滲流浸潤線作為飽和與非飽和土體分界線，利用STAB 程序按照簡化畢肖普法進行上游壩坡穩(wěn)定分析，滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)1.35 時，上游壩坡坡比須放緩到1∶5～1∶5.5。由于均質(zhì)土壩體型較大，經(jīng)綜合比選后優(yōu)化為砂礫石壓坡厚斜墻式土石壩。

2.2.2 水位降落工況擬定的經(jīng)驗做法

（1）設定庫水位最大降速

對于均質(zhì)土壩，收集已建工程運行資料，設定庫水位最大降速來進行控制，不進行降落期上游邊坡分析。一般要求庫水位緩慢降落，降速不得超過1 m/d 或0.5 m/d。

（2）按最大泄空能力來計算降速

按水庫最大泄空能力來計算水位降速，經(jīng)滲流分析確定降落前后浸潤線位置，當判別為水位驟降時，近似認為浸潤線采用穩(wěn)定滲流的浸潤線，據(jù)此進行邊坡穩(wěn)定分析，這是上游壩坡計算最不利的一種情形，有些壩在運行方式上可能不會出現(xiàn)這樣的工況，設計考慮到不可控因素的出現(xiàn)需快速泄空，還是按照最大泄空能力進行計算，這樣有可能使得計算壩坡過緩，增加工程投資。

2.2.3 水位降落工況擬定的建議做法

在土石壩設計中，存在水位經(jīng)常性快速降落工況的一般有以下三種情況，一是抽水蓄能電站的大壩；二是事故調(diào)蓄庫的大壩；三是由大壩運行的特殊要求所確定，例如亭口水庫工程由排沙所確定的庫水位經(jīng)常性快速降落。在這三種情況下要盡量避免采用均質(zhì)土壩壩型，如果當?shù)厝鄙偈蠒r可采用上游砂礫石壓坡或堆石厚斜（心）墻型式的土壩。

結合《平原水庫工程設計規(guī)范》[4]的規(guī)定，筆者認為應在土石壩設計規(guī)范中對于有放空必要的均質(zhì)土壩，增加水位降落速度的限定，這樣便于更為合理地確定泄空建筑物的規(guī)模，避免規(guī)模過大造成浪費且據(jù)此規(guī)模控制邊坡又造成邊坡過緩。

（1）慎重研究確定放空運行方式

對于均質(zhì)土壩，是否設置放空設施國內(nèi)外的做法是有差別的，許多已建均質(zhì)土壩，從來沒有放空水庫檢修，庫克曾提出，對于高壩大庫，水很珍貴，快速放空水庫造成的經(jīng)濟損失非?？捎^。加之土壩出現(xiàn)破壞征兆到破壞的時間一般較短，為此設置大流量的泄空設施往往不經(jīng)濟?！赌雺菏酵潦瘔卧O計規(guī)范》（DL/T 5395-2007）第5.2.1 條規(guī)定宜研究設置放空設施的必要性[2]。隨著施工技術的進步及新材料應用，水庫除險加固時往往采用滿庫維修，江蘇省沙河水庫在除險加固中采用了“射水造槽法”進行了大壩帶水頭截滲處理，對于運行管理中不考慮放空的水庫，筆者建議可進行除險加固預案研究而不是僅從放空考慮。

（2）合理確定水位降落速度

對于運行期泄水流量很小的工程，可由退水指標k/（μv）判斷水位降落是否對邊坡穩(wěn)定帶來影響，當壩體填筑料明確以后，k、μ 即可確定，可以將退水指標擬定在緩降或慢降范圍之內(nèi)，用k/（μv）反推求得水位降速的合理范圍，盡量避免出現(xiàn)水位快降和驟降的運行條件。填筑土料滲透性越小，土體里持有的水分將越多，浸潤線降落越慢，對上游邊坡穩(wěn)定越不利。給水度越大，滲流場內(nèi)部水頭的消散越慢，將給上游壩坡穩(wěn)定帶來不利影響。水位降速越快對壩坡穩(wěn)定越不利。退水指標與降速判別及其浸潤線確定方法對比表見表2。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB 50286-2013）第E.6.1 條規(guī)定[5]，粘性土可按下式計算給水度：

式中：k 為土體的滲透系數(shù)，cm/s；n 為土體的孔隙率。

對于粘性土料來說，給水度一般為0.02～0.05，當計算結果超出此范圍時，往往由于公式應用錯誤或適用范圍限制造成，應對計算結果進行合理性分析后再采用。

表2 退水指標與降速判別對照表

當k/（μv）＞60 時，庫水位下降緩慢，壩體內(nèi)自由水面只占總水頭的10%左右，無須考慮水位降速對上游壩坡穩(wěn)定的影響，可不進行上游坡的水位降落期穩(wěn)定分析，粗于細砂的粗顆粒土料給水度可按照公式μ=0.117×k1/7進行計算，k 為土體的滲透系數(shù)，m/d。根據(jù)土料滲透系數(shù)計算驟降及緩降所對應的水位降速，見表3。

表3 粗顆粒料不同滲透系數(shù)水位降速計算表

由表3 可知，當粗粒料滲透系數(shù)為1×10-4cm/s 時，水位降速大于10 m/d 時為驟降，水位降速小于0.02 m/d 為緩降；當土料滲透系數(shù)為1×10-3cm/s 時，水位降速大于75 m/d 時為驟降，水位降速小于0.13 m/d 為緩降；當土料滲透系數(shù)為1×10-2cm/s時，水位降速大于542 m/d 時為驟降，水位降速小于0.9 m/d 為緩降。據(jù)此可知，一般水庫的退水指標在“1/10＜k/（μv）≤60”范圍內(nèi)，設計時需按庫水位下降過程計算得到自由水面的下降位置，據(jù)此進行上游坡穩(wěn)定分析。若運行期沒有驟降工況時，要按實際情況確定水位降速，無須為了偏于安全統(tǒng)一按水位驟降進行邊坡設計，這樣會帶來很大的浪費。

（3）正確解讀和應用規(guī)范

《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL 274-2001）第3.2.3 規(guī)定“設計地震烈度為8 度、9 度地區(qū)或1 級、2 級土石壩，應論證是否設泄水底孔?！盵2]結合本條款的條文說明可知，由于設置底孔會使工程投資大幅增加且會造成水量浪費，設計烈度低于8 度的地區(qū)且建筑物級別為3 級及其以下的工程，則不強制要求設置泄水底孔，設計滿足工程的實際運用條件即可。

山東省地方標準《平原水庫工程設計規(guī)范》（DB 37/1342-2009）第3.3 節(jié)第3 條規(guī)定，“為防止平原水庫圍壩失事對周圍城鎮(zhèn)、居民點及工礦企業(yè)造成巨大損失，小（一）型以上的平原水庫應設置專用或兼用的泄水建筑物，其泄水能力根據(jù)將水庫水位從設計蓄水位降至壩外地面高程以上1 m～1.5 m所需的泄空時間確定，泄空時間一般按10 d～15d 考慮?！盵4]

為便于設計人員合理確定水庫的泄空時間，建議土石壩規(guī)范應參照《平原水庫工程設計規(guī)范》，針對粘性土均質(zhì)土壩明確泄空時間或水位降速范圍。

3 結語

均質(zhì)土壩設計中，工程運行方式擬定時一般都明確了水位降幅，需要研究控制的是水位降速，選擇合理的降速范圍可對均質(zhì)壩上游邊坡穩(wěn)定提供安全保障，也可使壩型設計更趨經(jīng)濟合理。計算參數(shù)的分析選取也是擬定壩坡的控制環(huán)節(jié)，設計時一定要根據(jù)規(guī)范要求合理選擇地質(zhì)參數(shù)，既不因盲目保守造成浪費更不能因參數(shù)選擇不當造成事故。