王民俠

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 概述

土石壩壩坡穩(wěn)定的計(jì)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(jì)算中許多假定與實(shí)際情況存在一定差距，計(jì)算結(jié)果是半理論半經(jīng)驗(yàn)的，能用作定性判斷，但不能作為設(shè)計(jì)決策的唯一依據(jù)[1]，土力學(xué)奠基人太沙基曾說(shuō)過(guò)，土力學(xué)既是一門科學(xué)又是一門藝術(shù)，有時(shí)候經(jīng)驗(yàn)判斷比理論計(jì)算還要切合實(shí)際，設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)積累及借鑒尤為重要。

粘性土均質(zhì)土壩在庫(kù)水位降落工況下，降落后浸潤(rùn)線與上游壩坡交界范圍內(nèi)的壩體飽和水排向庫(kù)內(nèi)，滲水方向?yàn)橛蓧蝺?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(kù)水位降落前后浸潤(rùn)線的確定成為此工況壩坡分析的關(guān)鍵因素，合理設(shè)定水位降落時(shí)的降速、降幅及放空可能性，對(duì)設(shè)計(jì)及水庫(kù)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2 水位降落工況的控制因素

2.1 計(jì)算采用的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

在土石壩壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算中對(duì)筑壩土料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析研判非常重要。

（1）試驗(yàn)方法

復(fù)核抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法與規(guī)范規(guī)定是否一致，是進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析的首要工作。對(duì)于粘性土料，規(guī)范明確有效應(yīng)力法指標(biāo)采用三軸儀固結(jié)排水剪（CD）或固結(jié)不排水剪測(cè)孔壓（CU）或直剪儀慢剪指標(biāo)（S），總應(yīng)力法采用固結(jié)不排水剪指標(biāo)（CU）。許多中小型水庫(kù)或前期設(shè)計(jì)階段為了測(cè)試方便往往提供的是快剪指標(biāo)，試驗(yàn)方法的差異勢(shì)必會(huì)引起計(jì)算結(jié)果的變化，因而在下達(dá)地勘任務(wù)書時(shí)就應(yīng)明確各工況抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法。

（2）抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)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(qiáng)度指標(biāo)當(dāng)取樣數(shù)大于11 組時(shí)宜采用小值平均值[2]，有些工程在取樣數(shù)大于11 組時(shí)，為了偏于安全建議抗剪強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)遠(yuǎn)低于小值平均值，這時(shí)就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)分析論證后進(jìn)行選取，而不能盲目采用地質(zhì)建議指標(biāo)。

我院已建及在建的咸陽(yáng)市亭口水庫(kù)工程、延安市南溝門水庫(kù)工程、銅川市龍?zhí)端畮?kù)工程、渭南市抽黃供水北灣調(diào)蓄池工程以及長(zhǎng)武縣鴨兒溝水庫(kù)工程填筑土料均采用低液限粘土，現(xiàn)將各工程設(shè)計(jì)采用指標(biāo)列于表1，可供同類水庫(kù)設(shè)計(jì)借鑒。亭口大壩土料巖性為中、上更新統(tǒng)風(fēng)積、風(fēng)洪積黃土、黃土狀壤土夾古土壤，硬塑～堅(jiān)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(chǎng)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(chǎng)巖性上部為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)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(qiáng)度取值表

（3）計(jì)算結(jié)果取值

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）第D.1.2 條規(guī)定，庫(kù)水位降落期應(yīng)同時(shí)采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，并以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)[2]，由表1 可知，低液限粘土當(dāng)內(nèi)摩擦角增大時(shí)凝聚力將相應(yīng)降低，據(jù)筆者計(jì)算經(jīng)驗(yàn)可知，大多數(shù)工程都是總應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算結(jié)果偏低，是控制邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵指標(biāo)，建議地質(zhì)單位在提供固結(jié)不排水剪總應(yīng)力指標(biāo)時(shí)應(yīng)以試驗(yàn)值為基準(zhǔn)，類比同類工程后慎重確定。在計(jì)算前期也可估算等代內(nèi)摩擦角法確定計(jì)算應(yīng)采用指標(biāo)，較小的等代內(nèi)摩擦角往往是控制計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)計(jì)算結(jié)果要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(duì)計(jì)算參數(shù)及計(jì)算過(guò)程進(jìn)行檢查分析。

2.2 水位降落工況擬定

根據(jù)擬定的水庫(kù)運(yùn)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(duì)上游壩坡的穩(wěn)定影響也越大，計(jì)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(guó)因庫(kù)水位降落導(dǎo)致滑坡的土石壩統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[3]：已發(fā)生上游邊坡滑動(dòng)的土石壩，平均庫(kù)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(guò)大時(shí)，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(kù)時(shí)要特別注意。

2.2.1 咸陽(yáng)市亭口水庫(kù)工程水位降落工況擬定

亭口水庫(kù)位于咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣，工程主要任務(wù)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(jí)建筑物，最大壩高47.8 m，壩頂寬10 m。該工程入庫(kù)水少沙多，水沙運(yùn)行方式為適時(shí)相機(jī)迅速降低庫(kù)水位敞泄排沙。為保證排沙效果，水庫(kù)水位日降落幅度達(dá)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(kù)運(yùn)行中屬正常運(yùn)用條件。庫(kù)水位降落期黏性土三軸飽和固結(jié)不排水剪總應(yīng)力指標(biāo)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(rùn)線作為飽和與非飽和土體分界線，利用STAB 程序按照簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)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(shí)，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(yàn)做法

（1）設(shè)定庫(kù)水位最大降速

對(duì)于均質(zhì)土壩，收集已建工程運(yùn)行資料，設(shè)定庫(kù)水位最大降速來(lái)進(jìn)行控制，不進(jìn)行降落期上游邊坡分析。一般要求庫(kù)水位緩慢降落，降速不得超過(guò)1 m/d 或0.5 m/d。

（2）按最大泄空能力來(lái)計(jì)算降速

按水庫(kù)最大泄空能力來(lái)計(jì)算水位降速，經(jīng)滲流分析確定降落前后浸潤(rùn)線位置，當(dāng)判別為水位驟降時(shí)，近似認(rèn)為浸潤(rùn)線采用穩(wěn)定滲流的浸潤(rùn)線，據(jù)此進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，這是上游壩坡計(jì)算最不利的一種情形，有些壩在運(yùn)行方式上可能不會(huì)出現(xiàn)這樣的工況，設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，這樣有可能使得計(jì)算壩坡過(guò)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(shè)計(jì)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(kù)的大壩；三是由大壩運(yùn)行的特殊要求所確定，例如亭口水庫(kù)工程由排沙所確定的庫(kù)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(dāng)?shù)厝鄙偈蠒r(shí)可采用上游砂礫石壓坡或堆石厚斜（心）墻型式的土壩。

結(jié)合《平原水庫(kù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的規(guī)定，筆者認(rèn)為應(yīng)在土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)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(guò)大造成浪費(fèi)且據(jù)此規(guī)?？刂七吰掠衷斐蛇吰逻^(guò)緩。

（1）慎重研究確定放空運(yùn)行方式

對(duì)于均質(zhì)土壩，是否設(shè)置放空設(shè)施國(guó)內(nèi)外的做法是有差別的，許多已建均質(zhì)土壩，從來(lái)沒有放空水庫(kù)檢修，庫(kù)克曾提出，對(duì)于高壩大庫(kù)，水很珍貴，快速放空水庫(kù)造成的經(jīng)濟(jì)損失非常可觀。加之土壩出現(xiàn)破壞征兆到破壞的時(shí)間一般較短，為此設(shè)置大流量的泄空設(shè)施往往不經(jīng)濟(jì)。《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5395-2007）第5.2.1 條規(guī)定宜研究設(shè)置放空設(shè)施的必要性[2]。隨著施工技術(shù)的進(jìn)步及新材料應(yīng)用，水庫(kù)除險(xiǎn)加固時(shí)往往采用滿庫(kù)維修，江蘇省沙河水庫(kù)在除險(xiǎn)加固中采用了“射水造槽法”進(jìn)行了大壩帶水頭截滲處理，對(duì)于運(yùn)行管理中不考慮放空的水庫(kù)，筆者建議可進(jìn)行除險(xiǎn)加固預(yù)案研究而不是僅從放空考慮。

（2）合理確定水位降落速度

對(duì)于運(yùn)行期泄水流量很小的工程，可由退水指標(biāo)k/（μv）判斷水位降落是否對(duì)邊坡穩(wěn)定帶來(lái)影響，當(dāng)壩體填筑料明確以后，k、μ 即可確定，可以將退水指標(biāo)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(yùn)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(rùn)線降落越慢，對(duì)上游邊坡穩(wěn)定越不利。給水度越大，滲流場(chǎng)內(nèi)部水頭的消散越慢，將給上游壩坡穩(wěn)定帶來(lái)不利影響。水位降速越快對(duì)壩坡穩(wěn)定越不利。退水指標(biāo)與降速判別及其浸潤(rùn)線確定方法對(duì)比表見表2。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）第E.6.1 條規(guī)定[5]，粘性土可按下式計(jì)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(duì)于粘性土料來(lái)說(shuō)，給水度一般為0.02～0.05，當(dāng)計(jì)算結(jié)果超出此范圍時(shí)，往往由于公式應(yīng)用錯(cuò)誤或適用范圍限制造成，應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析后再采用。

表2 退水指標(biāo)與降速判別對(duì)照表

當(dāng)k/（μv）＞60 時(shí)，庫(kù)水位下降緩慢，壩體內(nèi)自由水面只占總水頭的10%左右，無(wú)須考慮水位降速對(duì)上游壩坡穩(wěn)定的影響，可不進(jìn)行上游坡的水位降落期穩(wěn)定分析，粗于細(xì)砂的粗顆粒土料給水度可按照公式μ=0.117×k1/7進(jìn)行計(jì)算，k 為土體的滲透系數(shù)，m/d。根據(jù)土料滲透系數(shù)計(jì)算驟降及緩降所對(duì)應(yīng)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(jì)算表

由表3 可知，當(dāng)粗粒料滲透系數(shù)為1×10-4cm/s 時(shí)，水位降速大于10 m/d 時(shí)為驟降，水位降速小于0.02 m/d 為緩降；當(dāng)土料滲透系數(shù)為1×10-3cm/s 時(shí)，水位降速大于75 m/d 時(shí)為驟降，水位降速小于0.13 m/d 為緩降；當(dāng)土料滲透系數(shù)為1×10-2cm/s時(shí)，水位降速大于542 m/d 時(shí)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(kù)的退水指標(biāo)在“1/10＜k/（μv）≤60”范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)需按庫(kù)水位下降過(guò)程計(jì)算得到自由水面的下降位置，據(jù)此進(jìn)行上游坡穩(wěn)定分析。若運(yùn)行期沒有驟降工況時(shí)，要按實(shí)際情況確定水位降速，無(wú)須為了偏于安全統(tǒng)一按水位驟降進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)，這樣會(huì)帶來(lái)很大的浪費(fèi)。

（3）正確解讀和應(yīng)用規(guī)范

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）第3.2.3 規(guī)定“設(shè)計(jì)地震烈度為8 度、9 度地區(qū)或1 級(jí)、2 級(jí)土石壩，應(yīng)論證是否設(shè)泄水底孔?！盵2]結(jié)合本條款的條文說(shuō)明可知，由于設(shè)置底孔會(huì)使工程投資大幅增加且會(huì)造成水量浪費(fèi)，設(shè)計(jì)烈度低于8 度的地區(qū)且建筑物級(jí)別為3 級(jí)及其以下的工程，則不強(qiáng)制要求設(shè)置泄水底孔，設(shè)計(jì)滿足工程的實(shí)際運(yùn)用條件即可。

山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《平原水庫(kù)工程設(shè)計(jì)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(kù)圍壩失事對(duì)周圍城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)及工礦企業(yè)造成巨大損失，?。ㄒ唬┬鸵陨系钠皆畮?kù)應(yīng)設(shè)置專用或兼用的泄水建筑物，其泄水能力根據(jù)將水庫(kù)水位從設(shè)計(jì)蓄水位降至壩外地面高程以上1 m～1.5 m所需的泄空時(shí)間確定，泄空時(shí)間一般按10 d～15d 考慮?！盵4]

為便于設(shè)計(jì)人員合理確定水庫(kù)的泄空時(shí)間，建議土石壩規(guī)范應(yīng)參照《平原水庫(kù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，針對(duì)粘性土均質(zhì)土壩明確泄空時(shí)間或水位降速范圍。

3 結(jié)語(yǔ)

均質(zhì)土壩設(shè)計(jì)中，工程運(yùn)行方式擬定時(shí)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(duì)均質(zhì)壩上游邊坡穩(wěn)定提供安全保障，也可使壩型設(shè)計(jì)更趨經(jīng)濟(jì)合理。計(jì)算參數(shù)的分析選取也是擬定壩坡的控制環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)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(fèi)更不能因參數(shù)選擇不當(dāng)造成事故。