某均質土壩蓄水對邊坡穩定性的影響分析

楊杰 高松

一、引言

水庫大壩的除險加固既是大壩研究領域的新問題，同時也是舊問題。目前土壩工程質量問題主要表現為滲漏、滑坡裂縫、庫區淤積嚴重水庫防洪標準降低等。結合不同病險壩的特點以及工程效益和當地的經濟水平，選取合理的工程處理措施，具有重要的經濟價值。本文針對黃土地區某水庫均質土壩壩前淤積面加固工程，依據土工材料試驗參數，對完建后的大壩在正常蓄水位條件下的上下游邊坡穩定進行了有限元分析，結果顯示下游邊坡不能滿足穩定安全要求。對此提出了兩種處理方案：在下游壩趾處增設抽排水措施及降低蓄水位運行，并對兩種方案的結果進行了對比。兩種方案的下游邊坡穩定安全系數均大于1，考慮到增設排水措施需要較大的成本，建議先采取降低蓄水位運行措施，并對大壩滲流情況進行監測；另外，還對大壩設計洪水條件下的運行管理提出了建議。

二、土石壩滲流計算和邊坡穩定性分析的發展

最早用于研究水工建筑物滲流場的方法主要有流體力學解析解法、水力學法、圖解法等近似計算方法，以及室內模型或模擬試驗分析方法。隨著非飽和土力學理論的不斷完善，人們逐漸采用飽和—非飽和滲流理論對水庫水位的降落誘發邊坡失穩的機理進行了廣泛而深入的研究，并取得了許多重要成果。劉才華、徐永鑫等人進行了水庫水位變化誘發邊坡失穩機理的研究。實際工程中，由于結構外形不規則，邊界條件及材料特性的空間變化比較復雜，用古典方法很難求解。本文采用有限元法對土壩正常蓄水位退水時的瞬態滲流場進行數值模擬仿真。

三、計算原理

本文結合滲流場計算結果，采用條間力為半正弦函數的Morgenstern-Price法對邊坡的穩定性進行驗算。

四、工程實例

1.工程概況

某水庫為小（一）型水利樞紐工程，1979年12月建成，壩高40m，壩頂高程1627.5m，總庫容632.4萬m3。經多年運行，水庫淤積導致防洪標準降低，1996年加高一次，土壩加高3.1m，形成總庫容832.6萬m3。壩頂寬5.0m，壩頂長 230m，前坡比 1∶2.5，后坡比1∶2.0，前壩坡壩頂以下3.0m至淤泥面已砌護。2007年8月實測，淤泥面高程1625.0m，淤泥深37.5m，水庫已淤積庫容593.0萬m3，有效庫容239.6萬m3。其防洪能力不能滿足標準，屬險庫。2008年進行壩前淤積面加高加厚處理，加高7.5m，壩頂高程達1638.1m，前坡比1∶3，后坡比1∶2.5。加固后的壩體體形見圖1，坐標系豎直向上為y軸，以原壩體建基面1587.5m高程為y坐標起始。加固后壩體總高度50.6m，正常蓄水位1634.39m，設計洪水位1635.37m。

圖1 大壩斷面模型圖

壩體有限元模型將壩體壩基分為五個部分：壩基、淤積土、原壩體、新壩壩前填土及壩后填土；其中原壩體依據高程及土體性質的差異，又分為（一）區和（二）區；新壩體填土依據填土深度，將材料分為填土1（深層）及填土2（淺層）。依據技術施工報告及最新土工材料試驗，壩體各區土料的滲流場及穩定分析的相關參數見表1。

2.滲流結果分析

為了進行上下游邊坡的穩定性分析，需要研究不同庫水位降落方式對滲流場變化規律的影響。對退水過程采用如下兩種方案進行對比分析：

方案一：大壩正常蓄水位（1634.39m）在0.2d內降落到最低水位（1625.0m）。

方案二：大壩正常蓄水位（1634.39m）在10d內降落到最低水位（1625.0m）。

方案一的計算結果如圖2所示，方案二的計算結果如圖3所示。

圖2 退水方案一不同時刻浸潤線分布圖（迎水面壩體局部放大）

圖3 退水方案二不同時刻浸潤線分布圖（迎水面壩體局部放大）

圖4 不同退水方案上游穩定安全系數圖

圖5 不同退水方案下游穩定安全系數圖

表1 壩體各部分滲流及穩定分析相關參數表

3.穩定分析結果

在瞬態滲流計算結果的基礎之上采用考慮滲透壓力的通用條分法Morgenstern-Price法對上下游邊坡進行穩定分析。兩種不同方案的上下游最小邊坡穩定系數變化見圖4和圖5。

4.提高邊坡穩定性的工程處理措施

通過上述兩種方案的結論可知，對正常蓄水位在不同退水方式下的上游壩面穩定性滿足要求，下游壩面邊坡穩定性不滿足要求。現提出如下兩種可能提高邊坡穩定性的方案：

（1）降低蓄水位：降低運行期的正常蓄水位，從設計的1634.39m降至1630m高程；

（2）下游抽排：在下游壩趾處增設排水設施。

兩種方案的下游壩坡穩定系數有了一定提高，降低蓄水位方案的安全系數為1.171，滿足規范1.15的要求。上游壩面的安全系數為3.288。

增設排水設施方案的下游安全系數為1.10，稍小于規范要求。

考慮到壩體已經完建，增加下游排水措施需要較大的成本；且仿真計算結果受試驗參數影響較大，具有一定的局限性，因此，建議目前先降低蓄水位進行試運行，并持續觀測壩體的滲流情況，以待后期評價。

五、結論與建議

（1）對某均質土壩加高后正常蓄水位條件下的不同退水方式進行了分析。采用0.2d驟降和10d緩慢退水兩種方案，計算其不同時間的滲流場及上下游邊坡穩定性：兩種方式，對于下游邊坡穩定影響較小，對上游邊坡影響較大。兩種退水方式的上游整體最小穩定系數非常接近，但從不同時刻的最小穩定安全系數的平均值來看，緩慢退水方式的平均上游穩定系數為3.31，遠大于驟降條件下的平均安全系數2.568。雖然兩種方式下的安全系數均大于1.15，但考慮到淤積土強度參數的離散性較大，建議汛期盡量控制水庫水位下降速度，采取緩慢退水方式。

（2）通過計算分析，正常蓄水位條件下，上游面邊坡滿足穩定性要求，但下游穩定安全系數小于1；提出了增設排水及降低水位運行兩種措施，采取措施后下游邊坡穩定系數均大于1。

（3）考慮到壩體已完建，增設排水措施成本較高，且計算分析結果受參數影響較大，建議先降低蓄水位至1630m高程試運行；試運行階段嚴格監測壩體滲流及變形情況，防止下游出現滑坡。

（4）為防止上下游面壩腳處的壩體出現隆起，可考慮對壩腳部位進行壓重，提高淺層抗滑穩定安全性