水位升降條件下馱英水庫(kù)上游圍堰滲流及穩(wěn)定性分析

勞乃勝，王金龍，周欣華

（1.崇左市左江治旱工程管理中心，廣西 崇左 532200；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；3.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010）

0 引言

圍堰作為河道中修建的臨時(shí)擋水建筑物，主要用來(lái)維護(hù)永久水工建筑物的干地施工，其自身安全直接關(guān)系到主體建筑物的施工安全、工期及造價(jià)等。因此，圍堰自身穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)工程極其重要［1］。

滲流問題與土石圍堰的安全運(yùn)行有著緊密的聯(lián)系，很多土石圍堰的失事都是水體的滲透造成的。壩體出現(xiàn)滲漏問題后會(huì)出現(xiàn)不利的滲流場(chǎng)分布，從而導(dǎo)致土石圍堰發(fā)生滲透變形，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致圍堰堰體邊坡滑移或垮塌[2]。此外，水位驟升或驟降都將使土石圍堰堰體內(nèi)滲流場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而影響堰體尤其是上游迎水坡的穩(wěn)定性。長(zhǎng)期蓄水后水位驟降，土石圍堰上游迎水坡由于孔隙水壓力來(lái)不及消散形成向邊坡滲流，當(dāng)水庫(kù)內(nèi)的水位降低后土壩內(nèi)的浸潤(rùn)面依然處于較高位置，不但造成土壩內(nèi)土料的容重隨著水位變化而改變，還產(chǎn)生非穩(wěn)定滲流現(xiàn)象和滲透壓力，使得土體顆粒間的有效應(yīng)力快速變小，降低壩體土料的抗剪強(qiáng)度，從而影響到壩體的安全穩(wěn)定性[3]。庫(kù)水位驟升對(duì)上游迎水坡的穩(wěn)定也是不利的。因此，有必要對(duì)庫(kù)水位驟升驟降工況下土石圍堰進(jìn)行滲流及穩(wěn)定性分析，為圍堰安全評(píng)價(jià)提供參考[4]。

1 工程概況

馱英水庫(kù)主要建筑物有瀝青混凝土心墻堆石攔河壩、右岸溢洪道、右岸河道電站發(fā)電引水隧洞、右岸泄洪隧洞、左岸灌溉發(fā)電引水系統(tǒng)、渠首電站廠房、壩后河道電站廠房及場(chǎng)內(nèi)永久交通道路等。

攔河壩采用瀝青砼心墻堆石壩壩型，最大壩高為72.2 m，壩頂總長(zhǎng)為225 m，壩頂寬8 m，壩頂高程為233.2 m，壩頂防浪墻頂高程234.4 m，壩基面最低高程為161 m。壩體材料分區(qū)：從上游往下游依次分為上游干砌石護(hù)坡、主堆石IA區(qū)、主堆石IVA區(qū)、次堆石IIA 區(qū)、過渡層IIIA 區(qū)；瀝青混凝土心墻；過渡層IIIB 區(qū)、主堆石IB 區(qū)、次堆石表面保護(hù)層堆石IVB區(qū)、次堆石IIB區(qū)及下游干砌石護(hù)坡等。

攔河壩上游圍堰填筑施工斷面見圖1。堰體上游采用土工膜防滲，堰體填料采用強(qiáng)風(fēng)化料，上游設(shè)計(jì)坡比為1∶2.5，下游設(shè)計(jì)綜合坡比為1∶1.8。在高程178～183 m 范圍內(nèi)填料的粘粒含量較高，透水性相對(duì)較弱。

圖1 上游圍堰計(jì)算斷面圖

依據(jù)導(dǎo)流洞泄洪全年10年一遇庫(kù)水位過程，庫(kù)前水位降落條件為：0～第55 小時(shí)為水位上升過程，水位由176.0 m 升高至205.83 m，第55～第100 小時(shí)為水位降落過程，水位由205.83 m降落至182.97 m。本文針對(duì)施工期圍堰擋水度汛工況開展?jié)B流與穩(wěn)定性分析。

2 基本理論

2.1 滲流基本理論

根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒連續(xù)性原理，以壓力水頭為未知量，二維飽和-非飽和滲流的基本方程為：

式中：kr為相對(duì)滲透率；kij為飽和滲透張量；h為壓力水頭；x2為正向向上的鉛直坐標(biāo)；C為比容水度；β為系數(shù)，非飽和區(qū)β=0，飽和區(qū)β=1；Ss為單位貯存量；t為時(shí)間；S為源匯項(xiàng)。

定解條件包括初始條件和邊界條件。

2.2 穩(wěn)定性分析理論

采用簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)壩坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由圓弧滑面確定的滑體被分成n 個(gè)垂直條塊。第i 條塊寬度bi，底面傾角αi，條塊體重力Wi，水平條間作用力Ei和Ei+1，垂直條間作用力（條間剪力）Xi和Xi+1，條底法向作用力Ni，條底剪力Ti，水壓力的合力Ui，滑面內(nèi)擦角φi，黏聚力ci。滑面安全系數(shù)為Fs。A.W.Bishop 假設(shè)整個(gè)滑面抗剪強(qiáng)度按同一比例調(diào)用（亦稱Bishop安全系數(shù)）。

穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式：

（1）檢驗(yàn)結(jié)果比較。47例肺部孤立性肺結(jié)節(jié)患者均接受CT增強(qiáng)掃描與常規(guī)病理檢查，比較2種檢查方式的檢驗(yàn)結(jié)果。

依據(jù)非飽和土滲流理論和極限平衡理論，本文運(yùn)用有限元分析軟件GeoStudio 對(duì)庫(kù)水位升降條件下圍堰滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

3 滲流及穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

圍堰汛期非穩(wěn)定滲流主要是分析上游水位上升和降落過程中，堰體內(nèi)水位上升和消落過程，分析的重點(diǎn)區(qū)域是堰體，由于基礎(chǔ)開挖至巖土分界線，因此堰基部分的滲流場(chǎng)分布對(duì)于降落期堰體的水頭分布影響較小，計(jì)算模型只考慮堰體部分。

堰體從上游至下游分為4個(gè)填筑分區(qū)：護(hù)坡、反濾墊層、過渡料（含防滲土工膜）、堆石料。堆石料依據(jù)填料檢測(cè)和試驗(yàn)成果，又分為下部、中部、上部3個(gè)分區(qū)。

3.2 參數(shù)條件

堆石料建基面至178 m 高程為下部，飽和滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s；178～183 m 高程為中部，飽和滲透系數(shù)為1.15×10-6cm/s；183 m至堰頂為上部，飽和滲透系數(shù)為1.6×10-3cm/s。考慮防滲土工膜失效的不利工況，土工膜所在的過渡料滲透系數(shù)取值為1.0×10-5cm/s。圍堰滲流及穩(wěn)定性計(jì)算中材料介質(zhì)的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

填料名稱護(hù)坡墊層過渡料堆石料上部（183 m至堰頂）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抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c/（kPa）15.3 15.3 15.3 φ/（°）26.7 26.7 26.7滲透系數(shù)/（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 計(jì)算工況

本次計(jì)算的運(yùn)行工況主要為施工渡汛期，考慮圍堰擋10年一遇洪水，同時(shí)計(jì)算洪水過后上游水位的退水工況，計(jì)算不同退水時(shí)間的非穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線時(shí)上、下游堰體壩坡的抗滑安全系數(shù)，為了了解退水過程上游邊坡局部抗滑穩(wěn)定性，增加退水過程定折線滑弧局部穩(wěn)定性計(jì)算工況。具體計(jì)算工況見表2。

方案編號(hào)F1 F2 F3條件及說(shuō)明上游水位176 m，下游水位164，0 m，穩(wěn)定滲流；結(jié)果作為非穩(wěn)定滲流的初始條件。上游水位205.83 m，下游水位164，0 m，穩(wěn)定滲流；結(jié)果可作為水位升降過程非穩(wěn)定滲流的對(duì)照，并可作為堰體穩(wěn)定計(jì)算的不利水位條件。上游水位對(duì)應(yīng)導(dǎo)流洞泄洪全年10年一遇庫(kù)水位過程，上游水位先升后降，歷時(shí)100 h。

3.4 滲流計(jì)算分析

穩(wěn)定滲流場(chǎng)水頭等值線分布，非穩(wěn)定滲流堰體浸潤(rùn)線升降過程見圖2。

方案F1為穩(wěn)定滲流，上游水位為176.0 m，下游水位為164.9 m，堰體自由面較平緩，下游坡面出逸點(diǎn)高程為165.59 m，堰腳處出逸比降約為0.55。

圖2 滲流計(jì)算滲流場(chǎng)成果圖

方案F2 為穩(wěn)定滲流，上游水位為205.83 m，下游水位為164.9 m，此工況堰體水位最高，可作為堰體穩(wěn)定分析不利的水位條件，下游坡面出逸點(diǎn)高程為186.58 m，出逸比降為0.415，位于堆石料上部。

3.5 穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述計(jì)算斷面、計(jì)算參數(shù)、水位等計(jì)算條件和計(jì)算方法，對(duì)圍堰上、下游邊坡施工度汛期的運(yùn)行工況進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析，各工況的抗滑安全系數(shù)見表3。最小抗滑安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑弧位置見圖3、圖4。

在不考慮圍堰土工布防滲條件下的堰體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果表明：

（1）圍堰汛期正常擋水形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)時(shí)（水位205.83 m），上游邊坡的抗滑安全系數(shù)為2.65，滿足規(guī)范要求，而下游邊坡的抗滑安全系數(shù)只有0.97，不滿足規(guī)范要求，主要是由于上游坡未考慮土工膜防滲，坡體浸潤(rùn)線位置與出逸點(diǎn)均較高，屬于極端工況。

（2）漲水過程中，考慮較短時(shí)間漲至汛期正常擋水水位205.83 m 時(shí)，隨著水位上升，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)增大，下游邊坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變，為1.44，上、下游邊坡的抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，主要是由于漲水時(shí)間較短，坡體未形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)，浸潤(rùn)線位置相對(duì)較低。

（3）退水期考慮圍堰上游短時(shí)間內(nèi)漲至汛期正常水位205.83 m后即時(shí)退水，退水期坡體滲流場(chǎng)處于非穩(wěn)定滲流狀態(tài)，坡體浸潤(rùn)線與漲水過程的浸潤(rùn)線位置基本一致，隨著水位的下降，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)減小，而下游坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變，整個(gè)退水過程圍堰上、下游邊坡的抗滑安全系數(shù)，均滿足規(guī)范要求。圍堰上游坡綜合坡比較小，定折線局部滑弧的抗滑安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)整體滑弧安全系數(shù)，說(shuō)明計(jì)算退水過程中出現(xiàn)淺層脫坡的可能性不大。但仍需注意在有土工膜的實(shí)際條件下，由于土工膜阻止坡內(nèi)水的出溢，而在退水過程可能發(fā)生的局部破壞。

工況編號(hào)F2備注穩(wěn)定滲流期堰前水位及浸潤(rùn)線205.83 m水位穩(wěn)定滲流期上升20小時(shí)水位182.81 m上升40小時(shí)水位183.87 m上升55小時(shí)水位205.83 m退水20小時(shí)水位190.13 m穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)1.25抗滑安全系數(shù)漲水期1.25退水期F3 1.44滑面特性整體滑動(dòng)整體滑動(dòng)整體滑動(dòng)整體滑動(dòng)整體滑動(dòng)局部滑動(dòng)整體滑動(dòng)局部滑動(dòng)整體滑動(dòng)局部滑動(dòng)退水40小時(shí)水位183.87 m 1.25下游坡0.97 1.44 1.44 1.44 1.44非穩(wěn)定滲流期退水45小時(shí)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

圖3 方案F2汛期高水位穩(wěn)定滲流期典型滑弧圖

圖4 方案F3汛期庫(kù)水升降過程圍堰上游邊坡典型滑弧圖

4 結(jié)論

（1）汛期高水位穩(wěn)定滲流工況堰體水位最高，堆石料出逸比降為0.415，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)為2.65，滿足規(guī)范要求；而下游邊坡的抗滑安全系數(shù)只有0.97，不滿足規(guī)范要求，該安全系數(shù)值反映上游坡考慮土工膜防滲失效且長(zhǎng)期未有效退水的狀態(tài)，坡體浸潤(rùn)線位置與出逸點(diǎn)均較高，屬于極端工況。汛期在該條件下建議考慮對(duì)圍堰下游坡進(jìn)行反濾保護(hù)和壓坡處理。

（2）施工期度汛水位先升后降，非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果表明：由于上游側(cè)過渡區(qū)滲透性較低，庫(kù)水位上升時(shí)間較短，坡體未形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)，浸潤(rùn)線位置相對(duì)較低。上游水位變動(dòng)，只對(duì)過渡料上游側(cè)區(qū)域影響較大，對(duì)下游側(cè)的堰體影響很弱，歷時(shí)100 h 先升后降的非穩(wěn)定滲流過程中，堰體水位基本與初始時(shí)刻相同。

（3）漲水過程中，隨著水位上升，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)增大，下游邊坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變。退水過程中，隨著水位的下降，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)減小，而下游坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變，整個(gè)退水過程圍堰上、下游邊坡的抗滑安全系數(shù)，均滿足規(guī)范要求。

（4）圍堰上游坡綜合坡比較小，定折線局部滑弧的抗滑安全系數(shù)均大于對(duì)應(yīng)整體滑弧安全系數(shù)，說(shuō)明計(jì)算退水過程中出現(xiàn)淺層脫坡的可能性不大。但仍需注意在有土工膜的實(shí)際條件下，由于土工膜阻止坡內(nèi)水的出溢，而在退水過程可能發(fā)生的局部破壞。