瀝青混凝土心墻石渣壩水位降落期上游壩坡穩定分析

李金龍LI Jin-long；杜海鑫DU Hai-xin

（四川省水利水電勘測設計研究院有限公司，成都 610000）

1 基本情況

通過川內多座大壩的設計資料可知，瀝青混凝土心墻石渣壩設計時上游壩殼料大多為弱風化及新鮮砂巖料，前期設計階段對上游砂巖料的滲透系數一般為10-2cm/s 量級，前期試驗成果多是在料場取料后在試驗室內完成測試，由于川內地區砂巖料巖性軟弱，碾壓后破碎使小于5mm 顆粒含量增加，小于0.075mm 顆粒含量易超過50%，滲透性能基本上為弱透水性至中等透水性，比設計指導滲透系數要小。通過對瀝青混凝土心墻石渣壩的滲流及穩定分析可知，上游壩料滲透系數越小水位降落時壩坡抗滑穩定安全系數越小，本文選擇了幾座大壩分析水庫降落與大壩上游壩坡抗滑穩定之間的關系。

庫水位變化對土壩上游壩坡擬定有著非常密切的關系，隨水庫水位的降落，?上游壩殼料內的所含水分也將隨著水庫水位的降落而排出壩體之外，當土壤滲透系數較小時，壩體內浸潤線的降落速度將滯后于壩前水位的降落速度，因此庫水位降落后，上游壩殼內仍有很高的浸潤線，這除了增加壩體土重度外還會產生對上游壩坡穩定不利的非穩定滲流，這種非穩定滲流所產生的滲流力，將使土粒之間的有效應力減小，從而降低土的抗剪強度，危及壩坡的穩定性。水庫水位降落速度愈快，上游壩殼內浸潤線越高，壩坡內所產生的非穩定滲流力也愈大，因此對壩坡穩定性的影響也愈大。

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2020），對不可壓縮的無粘性土，由于骨架不可壓縮，水位降落所引起的總應力改變并不引起孔隙水壓力的變化，而孔隙水壓力的變化取決于孔隙水隨水庫水位降落而排出的速度和方向，在上游壩體滲透系數大于10-3cm/s 時，一般可認為壩體是自由排水的，上游壩體內浸潤線將隨庫水位降落而降落，不會產生過大的滲透壓力而使上游壩坡失穩。對于一般均質壩及心墻砂殼壩壩體內浸潤線下降的速度取決于庫水位下降的速度V、土壩壩體的滲透系數k 以及土體的給水度μ 等因素，因此可能通過的比值來判斷浸潤線降落情況。

2 分析計算

本文計算時分別選擇已經施工完成的灣潭河水庫、八角水庫、鎖口水庫進行分析。灣潭河水庫位于通江河左岸一級支流袁池河上游的灣潭河河段，通江縣至誠鎮快活林村境內，水庫距通江縣城區約25.0km，是一座具有灌溉、場鎮和農村人畜供水、縣城備用水源等綜合利用功能的中型水利工程，多年平均供水量996×104m3，攔河大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程663.00m，壩頂寬10.0m，心墻基礎最低高程574.00m，最大壩高89.0m，壩基置于粉砂質泥巖上。上游壩坡采用堆石料碾壓填筑，邊坡1∶1.8；下游壩坡1∶2.00~1∶2.50，采用石渣料碾壓填筑。

八角水庫位于石亭江右岸二級支流湔氐河的板栗灘河段，是一座以農業灌溉和城市供水為主，兼顧發電等綜合利用的中型水利樞紐工程水庫。攔河大壩為瀝青混凝土心墻石渣壩，壩頂高程908.50m，壩頂寬8.00m，最大壩高63.50m。大壩上游壩殼采用新鮮及弱風化砂巖碳質頁巖混合石渣料填筑，上游邊坡1∶2.00、1∶2.25。下游壩殼采用強、弱風化砂巖碳質頁巖混合石渣料填筑，下游邊坡1∶2.00、1∶2.25。

鎖口水庫位于合江縣，是一座以灌溉為主，兼顧灌區集鎮供水和農村人畜飲水等綜合利用的中型水利工程。攔河大壩壩頂高程415.00m，壩頂寬8.0m，建基面高程384.00m，最大壩高31.0m。大壩上游邊坡為1∶2.00、1∶2.25，高程397.00m 處變坡，大壩下游邊坡為1∶2.00，大壩上、下游均采用石渣料碾壓填筑。

上述三座水庫均為瀝青心墻石渣壩，上游壩料為砂巖，三座水庫最大壩高分別為89.0m，63.5m，31.0m，三座大壩典型剖面圖如圖1 所示，三座水庫的基本概況如表1 所示。

圖1 大壩典型剖面圖（八角水庫）

根據水庫運行調度方案，三座水庫水位由正常水位降至死水位時間分別為15 天，10.8 天，15.8 天，根據前面所述公式，庫水位降落情況計算如表2 所示。

表2 庫水位降落期參數

對于穩定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數滿足微分方程

式中：φ=φ（x，y）為待求水頭勢函數；

x，y 為平面坐標；

Kx，Ky為x，y 軸方向的滲透系數。

水頭φ 還必須滿足一定的邊界條件，經常出現以下幾種邊界條件：

③在某邊界上滲流量q 已知

其中lx，ly為邊界表面向外法線在x，y 方向的余弦。

將滲流場用有限元離散，假定單元滲流場的水頭函數勢φ 為多項式，由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式，可導得出線性方程組：

式中[H]——滲透矩陣；{φ}——滲流場水頭；{F}——節點滲流量。

求解以上方程組可以得到節點水頭，據此求得單元的水力坡降，流速等物理量，在穩定計算過程時分別將相鄰的兩條浸潤線作為降前、降后浸潤線，分時間段計算穩定性。大壩有限元計算過程如圖2~圖3 所示，計算結果整理如圖4 所示。

圖2 大壩穩定計算結果圖（假定八角水庫11 天降至死水位）

圖3 大壩穩定計算結果圖（假定八角水庫1 天降至死水位）

圖4 大壩降水時間與安全系數關系

從圖中可以看出，大壩在水位降落情況下上游壩坡安全系數隨水位降低而減小且基本上呈線性關系，這是因為上游壩料滲透系數較大，上游浸潤線隨水位下降較快，飽和區對穩定已經不起決定性作用，減小的原因是水位下降，上游壩坡水的蓋重作用減小引起的。

圖中還可以反應出，雖然上游壩坡穩定安全系數隨水位降落一直減小，但最小值都還滿足規范要求；通過表2計算可以知道，若要使水位降落為驟降工況，庫水位下降速度要大大超出正常運行工況，本文假設上述三座水庫在24 小時內由校核洪水位降死水位，按上述方法計算其安全系數分別為1.3398、1.2229、1.2334，仍都滿足規范規定安全系數。說明這種大壩上游壩坡可不計算降水工況。

3 結論

本文通過三座水庫分析計算，指出瀝青混凝土心墻石渣壩降水時都屬于緩降工況，上游壩坡內浸潤線基本與庫水位齊平，浸潤線在壩體內滯后不明顯。庫水位降落會使上游壩坡抗滑穩定安全系數減小，但都大于規范值，指出這種類型瀝青混凝土心墻石渣壩可不計算降水期上游壩坡穩定性，該結論對同類壩型的設計有指導意義。