劉嬋玉

0 前言

庫(kù)水位驟降會(huì)導(dǎo)致壩坡穩(wěn)定性降低[1]。近些年，已有很多學(xué)者對(duì)自然邊坡和構(gòu)造邊坡在庫(kù)水位驟降條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了廣泛研究[2-3]。深圳水庫(kù)是以供水、防洪為主的水利工程[4]，作為廣東省東江～深圳供水工程（以下簡(jiǎn)稱東深工程）供水香港的重要水源，水位驟降條件下壩坡的穩(wěn)定，對(duì)于深圳水庫(kù)的供水穩(wěn)定和安全意義重大。

1964年初深圳水庫(kù)被納入東深工程，1965年3月正式對(duì)港供水。由于香港和深圳的用水需求不斷增加，東深工程分別于1973～1994年間進(jìn)行了三次擴(kuò)建。期間對(duì)深圳水庫(kù)主壩采取了增建塑性混凝土防滲墻措施。由于缺乏防滲墻材料試驗(yàn)的滲透參數(shù)，文章擬合得到深圳水庫(kù)主壩各層土體及防滲墻的滲透系數(shù)，在此基礎(chǔ)上選取典型計(jì)算斷面進(jìn)行滲流分析。

1 水庫(kù)概況

深圳水庫(kù)位于深圳市東北約3 km，壩址處在深圳河流域的最大支流沙灣河下游，正常蓄水位27.60 m，相應(yīng)庫(kù)容3348.41 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）28.83m，相應(yīng)庫(kù)容3854.72萬(wàn)m3，校核洪水位（P=0.05%）為30.24 m，總庫(kù)容為4496.56萬(wàn)m3。

本文重點(diǎn)研究主壩在庫(kù)水位驟降過(guò)程中上、下游壩坡的穩(wěn)定。主壩為塑性混凝土防滲心墻土壩，壩頂高程31.50 m，壩頂寬度7 m，最大壩高25.50 m，壩長(zhǎng)630 m，迎水面壩坡1∶3及1∶2，背水面壩坡1∶2～1∶3。壩腳設(shè)排水棱體與壩腳反濾溝相連，壩基為6 m～6.5 m的粉砂及砂卵石沖積層，下伏強(qiáng)風(fēng)化千枚巖和石英砂巖。

2 穩(wěn)定分析思路和計(jì)算工況

2.1 穩(wěn)定分析思路

2.1.1 滲流分析

首先選取深圳水庫(kù)2007～2014年壩前水位及其對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)測(cè)壓管水位數(shù)據(jù)復(fù)核主壩1#典型斷面的滲流穩(wěn)定，通過(guò)各斷面測(cè)壓管水位連線所得出的浸潤(rùn)線與計(jì)算浸潤(rùn)線進(jìn)行擬合反演推算，參照《深圳水庫(kù)安全鑒定工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[5]中不同材料滲透系數(shù)的推薦取值范圍，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整各材料滲透系數(shù)，使計(jì)算浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線擬合，對(duì)大壩各材料的滲透系數(shù)進(jìn)行修正，更好的反映壩體實(shí)際滲透性。

然后利用上述反演分析得出的修正滲透系數(shù)，對(duì)主壩1#典型斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

最后，選取主壩2#典型斷面（與1#典型斷面鄰近）并對(duì)其進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。同時(shí)，對(duì)比兩典型斷面相同工況下單寬滲流量是否接近，以此推斷修正滲透系數(shù)是否合理。

2.1.2 穩(wěn)定分析

根據(jù)《深圳水庫(kù)安全鑒定工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[5]和現(xiàn)場(chǎng)檢查情況所選取2#典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析。

2.2 計(jì)算程序

本次滲流復(fù)核計(jì)算采用有限元法按二維平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算軟件采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)的《理正巖土計(jì)算6.0版》的《滲流分析計(jì)算》進(jìn)行。

本次穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算采用河海大學(xué)《autobank7.061》計(jì)算軟件，假設(shè)沿圓弧滑裂面滑動(dòng)破壞，對(duì)不同的工況組合，按計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行分析計(jì)算。浸潤(rùn)線采用《深圳水庫(kù)土壩滲流安全復(fù)查報(bào)告》[6]中有關(guān)成果。

2.3 計(jì)算工況及特征水位

2.3.1 滲流分析

對(duì)典型斷面進(jìn)行滲流分析，計(jì)算工況主要考慮非常運(yùn)行條件校核水位對(duì)應(yīng)的情況：

1）上游校核洪水位與下游相應(yīng)的最低水位；

2）上游校核洪水位降落至正常蓄水位（降落所需時(shí)間13小時(shí)）。

2.3.2 穩(wěn)定分析

對(duì)典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析，計(jì)算工況參考《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]結(jié)合深圳水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)行工況，選取以下庫(kù)水位驟降典型工況。

1）上游正常蓄水位驟降至溢洪道底高程水位組合時(shí)上游壩坡穩(wěn)定分析（27.6 m降至22.4 m，溢洪道底高程為22.4 m，水位差5.2 m，降落所需時(shí)間20小時(shí)）。

2）上游設(shè)計(jì)洪水位驟降至正常蓄水位組合時(shí)上游壩坡穩(wěn)定分析（29.07 m降至27.6 m，水位差1.47 m，降落所需時(shí)間8小時(shí)）。

3）上游校核洪水位驟降至正常蓄水位組合時(shí)，上游壩坡穩(wěn)定分析（30.29 m降至27.6 m，水位差2.69 m，降落所需時(shí)間13小時(shí)）。

2.3.3 特征水位

特征水位見(jiàn)表1。

表1 深圳水庫(kù)特征水位表

2.4 計(jì)算斷面與計(jì)算參數(shù)

1）1#典型斷面和2#典型斷面分別如圖1、圖2。

圖1 主壩1#典型計(jì)算斷面

圖2 主壩2#典型計(jì)算斷面

2）滲流分析計(jì)算中的土體滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主壩土體滲透系數(shù)表

3）穩(wěn)定分析計(jì)算中的土體物理力學(xué)參數(shù)。按規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中第8.3.5條規(guī)定，本工程的工程等別為Ⅱ等，主要建筑物為2級(jí)，壩體與地基的土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用三軸儀測(cè)定。由于壩體土料為粘性土，故對(duì)于穩(wěn)定滲流期應(yīng)采用土體的三軸抗剪有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，而對(duì)于庫(kù)水位降落期則同時(shí)采用土體的三軸抗剪有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與三軸抗剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，即強(qiáng)度計(jì)算方法應(yīng)分別采用有效應(yīng)力法與總應(yīng)力法。這次計(jì)算采用的壩體土料物理力學(xué)指標(biāo)參照《深圳水庫(kù)安全鑒定工程地質(zhì)勘察報(bào)告》[5]，詳見(jiàn)表3（壩后坡堆石因無(wú)法取樣指標(biāo)為經(jīng)驗(yàn)值）。

表3 本次安全鑒定壩體物理力學(xué)參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 滲流計(jì)算結(jié)果

3.1.1 材料滲透系數(shù)的修正

根據(jù)2007～2014年實(shí)測(cè)壩前水位及對(duì)應(yīng)測(cè)壓管水位資料[4]進(jìn)行分析可知，壩前水位主要在24.96 m～28.35 m的區(qū)間范圍內(nèi)變動(dòng)，本次為了分析的方便及計(jì)算的統(tǒng)一性，選擇正常蓄水位27.6 m對(duì)應(yīng)的測(cè)壓管水位浸潤(rùn)線作為反演分析的擬合標(biāo)準(zhǔn)。選擇時(shí)考慮監(jiān)測(cè)時(shí)段前后無(wú)降水且水位相對(duì)穩(wěn)定時(shí)段的實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線作為典型。

通過(guò)反演分析計(jì)算1#典型斷面浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)測(cè)壓管浸潤(rùn)線對(duì)比如圖3所示。反演分析確定的各材料的修正滲透系數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 主壩1#典型斷面浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)測(cè)壓管浸潤(rùn)線對(duì)比圖

表4 主壩各層土體修正滲透系數(shù)表

3.1.2 主壩1#典型斷面的滲流分析

利用上節(jié)反演分析得出的大壩各材料的修正滲透系數(shù)來(lái)復(fù)核主壩1#典型斷面的滲流穩(wěn)定，計(jì)算工況主要考慮非常運(yùn)行條件校核水位對(duì)應(yīng)的情況。主壩1#典型斷面校核計(jì)算工況浸潤(rùn)線計(jì)算成果見(jiàn)圖4、圖5。校核工況單寬滲流量計(jì)算成果見(jiàn)表5。

1）由圖4可知，浸潤(rùn)線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降。

2）由圖5可知，浸潤(rùn)線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降，庫(kù)水位從上游校核洪水位降落至正常蓄水位過(guò)程中（降落所需時(shí)間13小時(shí)），浸潤(rùn)線存在明顯下降趨勢(shì)。

表5 主壩1#典型斷面校核工況單寬滲流量成果表

圖4 主壩1#典型斷面校核洪水位穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線圖

圖5 主壩1#典型斷面校核洪水位水位降落浸潤(rùn)線圖

3.1.3 主壩2#典型斷面的滲流分析

利用前述反演分析得出的修正滲透系數(shù)（詳見(jiàn)表4）來(lái)復(fù)核主壩2#典型斷面的滲流穩(wěn)定。主壩2#典型斷面各工況浸潤(rùn)線計(jì)算成果見(jiàn)附圖6～附圖7。主壩各工況單寬滲流量計(jì)算成果見(jiàn)表7。

1）由圖6可知，浸潤(rùn)線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降。

2）由圖7可知，浸潤(rùn)線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降，庫(kù)水位從上游校核洪水位降落至正常蓄水位過(guò)程中（降落所需時(shí)間13小時(shí)），浸潤(rùn)線存在明顯下降趨勢(shì)。

3）由表5和表6可知，主壩1#典型斷面和主壩2#典型斷面在各工況下單寬滲流量計(jì)算成果比較接近。認(rèn)為反演分析得到壩體各層新的修正滲透系數(shù)可以反映壩體實(shí)際滲透性。

表6 主壩2#典型斷面剖面各工況單寬滲流量成果表

圖6 主壩2#典型計(jì)算斷面校核洪水位穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線圖

圖7 主壩2#典型計(jì)算斷面校核洪水位水位降落浸潤(rùn)線圖

3.2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算所選主壩2#典型斷面壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表7。各工況下主壩2#典型斷面壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)圖8～圖10。由表7可知，深圳水庫(kù)主壩2#典型斷面在庫(kù)水位驟降典型工況下，上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)受庫(kù)水位下降速率影響，庫(kù)水位下降速率越大，上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)越小。

圖8 主壩2#典型計(jì)算斷面正常蓄水位水位降落期壩體穩(wěn)定計(jì)算

圖9 主壩2#典型計(jì)算斷面設(shè)計(jì)水位水位降落期壩體穩(wěn)定計(jì)算

表7 主壩壩坡抗滑穩(wěn)定分析成果表

4 結(jié)論與建議

1）根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果可知：浸潤(rùn)線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現(xiàn)驟降，表明土壩的防滲墻效果良好；

2）反演分析得到主壩各層的修正滲透系數(shù)可以反映壩體實(shí)際滲透性；

3）對(duì)主壩0+224斷面進(jìn)行不同工況下的滲流穩(wěn)定和壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析，計(jì)算安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，壩體滲流穩(wěn)定性、壩坡穩(wěn)定性良好。

4）上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)受庫(kù)水位下降速率影響，庫(kù)水位下降速率越大，上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)越小。

圖10 主壩2#典型計(jì)算斷面校核洪水位水位降落期壩體穩(wěn)定計(jì)算

[1]劉釗,柴軍瑞,陳興周,徐維生.庫(kù)水位驟降時(shí)壩體滲流場(chǎng)及壩坡穩(wěn)定性分析[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(27)：466-470.

[2]劉新喜,夏元友,張顯書，等.庫(kù)水位下降對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(8)：1439-3444.

[3]賈蒼琴,黃茂松，王貴和，等.水位驟降對(duì)土坡穩(wěn)定性的影響分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，36(3)：304-309.

[4]深圳水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告(2014)[R].

[5]深圳水庫(kù)安全鑒定工程地質(zhì)勘察報(bào)告(2014)[R].

[6]深圳水庫(kù)土壩滲流安全復(fù)查報(bào)告(2014)[R].

[7]SL 274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].