摘 要：本研究以石棚水庫大壩為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方式，分析了該水庫大壩在不同庫區(qū)水位及降雨強(qiáng)度下的滲流特性及穩(wěn)定性變化情況，庫區(qū)蓄水過程對(duì)壩體穩(wěn)定性負(fù)面影響顯著，壩體安全系數(shù)最大降幅達(dá)到52.2%，且內(nèi)部徑流效應(yīng)明顯；在極端暴雨工況下，降雨時(shí)長(zhǎng)超過9.5h，壩體存在滑塌風(fēng)險(xiǎn)。本研究所得結(jié)論可為該水庫的日常運(yùn)行管理提供相關(guān)參考。

關(guān)鍵詞：水庫大壩；庫區(qū)水位；降雨；滲流穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：TV 69" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

土壩具有造價(jià)低、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)中，但是會(huì)出現(xiàn)滲漏等工程問題。土壩工程問題約占全球潰壩問題總數(shù)的70%[1]，而滲流破壞導(dǎo)致壩體外側(cè)邊坡失穩(wěn)是土壩災(zāi)害事故的主要原因。因此，在水庫運(yùn)營期間對(duì)土壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，并據(jù)此采取防控措施是有必要的。

見立紅[2]對(duì)唐山陡河水庫大壩的主壩和副壩進(jìn)行了滲流穩(wěn)定分析，表明主壩存在壩基、繞壩及局部壩體滲漏問題，副壩局部滲流不利于壩坡穩(wěn)定。高瑞[3]對(duì)五曲灣水庫進(jìn)行了滲流安全分析，發(fā)現(xiàn)壩體、壩基滲透坡降均小于允許滲透比降，穩(wěn)定滲流期與水位降落期壩坡最小安全系數(shù)均大于允許值，滿足規(guī)范要求。除此以外，鄧烈等[4]、邢健等[5]都對(duì)某一水庫土壩進(jìn)行了滲流穩(wěn)定分析，發(fā)現(xiàn)土壩存在滲水點(diǎn)，并提出相應(yīng)的防滲加固措施?，F(xiàn)有研究集中于水庫壩體應(yīng)急排險(xiǎn)上，在發(fā)現(xiàn)隱患后分析原因并對(duì)壩體進(jìn)行加固，若能在服役期對(duì)壩體進(jìn)行隱患預(yù)測(cè)，則可提高壩體服役年限。

本研究通過geo-studio軟件對(duì)石棚水庫大壩不同水位高度及不同降雨強(qiáng)度下的壩體進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，以期為該水庫的日常運(yùn)營提供相關(guān)工程建議。

1 工程概況

石棚水庫總庫容1138萬m3，興利庫容840萬m3，死庫容15萬m3。防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核。水庫大壩為二類壩，其中主壩為均質(zhì)土壩，壩高33.66m，最大壩高15.2m，壩軸線長(zhǎng)度527m。

2 穩(wěn)定性分析方法、模型和參數(shù)

2.1 分析方法

采用geo-studio軟件中的slope/w及seep/w模塊分析不同庫區(qū)水位及降雨強(qiáng)度下的壩體穩(wěn)定性。穩(wěn)定性分析采用Morgenstern-Price法，該方法考慮了土條條間剪力和法向力，且同時(shí)滿足力矩平衡和力平衡，可在分析中自動(dòng)搜索滑裂面。其中力矩和力平衡安全系數(shù)的計(jì)算過程如公式（1）、公式（2）所示[6]。

（1）

（2）

式中：β、R、x、f、d為幾何參數(shù)；c'為有效聚力；φ'為有效摩擦角；μ為孔隙水壓力；N為條塊底部法向力；W為條塊質(zhì)量；D為線荷載；α為土體底部?jī)A斜角。

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）[7]，穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.2 分析模型及參數(shù)取值

采用geo-studio軟件中的slope/w及seep/w模塊，根據(jù)實(shí)際工程概況建立不同水位及降雨條件下的非飽和滲流耦合穩(wěn)定性計(jì)算模型。當(dāng)軟件參數(shù)取值時(shí)，由室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試得到土體強(qiáng)度參數(shù)，取值結(jié)果見表2。根據(jù)軟件內(nèi)置的土體粒徑及分類數(shù)據(jù)庫，結(jié)合seep/w中V-G模型擬合得到土體的土水特征曲線及滲透系數(shù)曲線，如圖1所示。此外，在分析降雨對(duì)壩體穩(wěn)定性影響的過程中，設(shè)定邊界條件時(shí)，若降雨強(qiáng)度小于筑壩土體的入滲能力，則按照流量邊界對(duì)壩體表部進(jìn)行賦值，其中流量大小等于降雨強(qiáng)度；若降雨強(qiáng)度大于筑壩土體的入滲能力，則按照定水頭邊界對(duì)壩體外側(cè)邊坡進(jìn)行賦值，其中水頭值等于其地面高程。

2.3 計(jì)算工況

當(dāng)分析不同水位高度對(duì)壩體影響時(shí)將水位高度設(shè)置為0m、4m、8m、12m、16m、20m、24m、28m，分析過程中不考慮降雨作用。在分析降雨對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響過程中，根據(jù)氣象學(xué)中降雨等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)置了大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨4種工況，降雨量分別為35mm、75mm、150mm、200mm，降雨時(shí)長(zhǎng)均設(shè)置為24h，庫區(qū)水位設(shè)置成26.5m。所有工況見表3。

3 結(jié)果分析

3.1 不同水位高度

庫區(qū)水位影響下的壩體內(nèi)部滲流路徑及不同水位高度下的壩體穩(wěn)定性分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看到，在庫區(qū)水位的影響下，壩體內(nèi)部地下水的滲流路徑分布均勻，這主要是因?yàn)閴误w結(jié)構(gòu)性完整，且為均質(zhì)土壩，表層填筑土體與深層填筑土體滲透性較一致，因此滲徑分布均勻。從圖3可以看到，隨著庫區(qū)水位上升，壩體穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是當(dāng)庫區(qū)水位增加時(shí)，水庫土壩受水浸潤(rùn)區(qū)域變大，水位線提高，庫區(qū)中的水通過土中孔隙深入土中，土壩填筑土體由不飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，而飽和區(qū)域的土體因?yàn)樗母×ψ饔茫瑴p少了自身的有效重力，即飽和區(qū)域的填筑土體有效應(yīng)力降低。填筑土體的有效應(yīng)力降低將會(huì)導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降，壩體安全系數(shù)也出現(xiàn)下降趨勢(shì)。實(shí)際上，風(fēng)的作用和庫內(nèi)水的流動(dòng)作用會(huì)對(duì)土壩產(chǎn)生波浪打擊作用和沖刷作用。當(dāng)庫區(qū)水位升高時(shí)，庫內(nèi)水域面積和水量會(huì)大幅提升，波浪打擊作用和沖刷作用也會(huì)相應(yīng)加強(qiáng)，土壩坡腳在這兩種作用下可能會(huì)出現(xiàn)剪切滑動(dòng)面失穩(wěn)，最終土壩失去坡底的支撐而發(fā)生崩塌和滑坡現(xiàn)象。在庫區(qū)水位從0m升至28m的過程中，壩體安全系數(shù)降低約52.2%，此時(shí)壩體安全系數(shù)降至1.150以下，但仍大于1.000，其穩(wěn)定狀態(tài)介于穩(wěn)定及基本穩(wěn)定之間。以《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）[7]中規(guī)定的1.150為界限，對(duì)不同庫區(qū)水位作用下壩體安全系數(shù)曲線進(jìn)行劃分，可以看到壩體所對(duì)應(yīng)的庫區(qū)警戒水位約為24.8m，若水位進(jìn)一步上漲，則壩體穩(wěn)定性等級(jí)將下降，壩體外側(cè)邊坡將存在小型滑塌隱患。

綜上所述，庫區(qū)水位產(chǎn)生的滲流對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響較大，在壩體服役階段，須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫區(qū)水位高度，當(dāng)水位達(dá)到警戒值時(shí)應(yīng)采取相關(guān)防控措施，例如監(jiān)測(cè)壩體外側(cè)邊坡水平位移及土體內(nèi)部的孔壓分布趨勢(shì)等，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步判斷壩體外側(cè)是否存在小型滑塌隱患。若水位進(jìn)一步上漲，則須采取可靠的降水排水措施，例如在壩體內(nèi)部打設(shè)抽排豎井、防滲帷幕等，以減少滲流對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。

3.2 不同降雨強(qiáng)度

不同降雨強(qiáng)度下的壩體穩(wěn)定性如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在相同降雨時(shí)長(zhǎng)的情況下，土壩穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度增加而減少。例如，當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)為4h時(shí)，大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨下的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.19、1.16、1.13和1.09。降雨強(qiáng)度對(duì)土壩穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。1）當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土壩填筑土體的滲透系數(shù)時(shí)，所有的降雨量幾乎能全部入滲到填筑土體中，而雨水入滲會(huì)導(dǎo)致土壩淺層填筑土體從不飽和狀態(tài)逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)，并不斷向土壩深層填筑土體延伸，這將造成暫態(tài)飽和土填筑土體的抗剪強(qiáng)度弱化，與此同時(shí)雨水入滲也會(huì)導(dǎo)致土壩填筑土體自重增加，使土壩坡體下滑力變大，使土壩穩(wěn)定性降低。2）當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壩填筑土體的滲透系數(shù)時(shí)，部分降雨量入滲到填筑土體中，另外一部分則形成坡面徑流而流走，而坡面徑流會(huì)對(duì)土壩壩體坡面造成沖刷破壞，從而降低土壩穩(wěn)定性。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在相同的降雨強(qiáng)度下，土壩穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨時(shí)長(zhǎng)增加而減少。例如，在大雨工況下，當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)分別為6h、12h、18h、24h時(shí)，土壩穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.18、1.17、1.16和1.15。降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壩穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下方面：隨著降雨時(shí)長(zhǎng)增加，通過壩體坡面入滲的雨水量逐漸增加，一方面填筑土體的自重不斷增加，使土壩壩體下滑力變大，另外一方面填筑土體中的飽和區(qū)域也不斷增加，土壩壩體抗剪強(qiáng)度不斷下降，在兩者作用下，土壩壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低。與降雨時(shí)長(zhǎng)相比，降雨強(qiáng)度可能對(duì)壩體穩(wěn)定安全系數(shù)的影響較大。例如，當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)4h時(shí)，與大雨工況相比，暴雨工況土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度為0.03；與暴雨工況相比，大暴雨工況土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度為0.03；與大暴雨工況相比，特大暴雨工況土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度為0.04。

在大雨工況下，與降雨時(shí)長(zhǎng)6h的情況相比，降雨時(shí)長(zhǎng)12h的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降幅和與降雨時(shí)長(zhǎng)12h的情況相比，降雨時(shí)長(zhǎng)18h的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降幅以及與降雨時(shí)長(zhǎng)18h相比，降雨時(shí)長(zhǎng)24h的土壩穩(wěn)定安全系數(shù)的降低幅度均約為0.01。

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）[7]中穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨時(shí)，24h降雨結(jié)束后坡體安全系數(shù)仍大于1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)降雨強(qiáng)度為暴雨時(shí)，降雨約6.5h后坡體安全系數(shù)約降至1.15，因此在24h持續(xù)暴雨下，斜坡體在0h～6.5h內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在6.5h～24h內(nèi)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)降雨強(qiáng)度為大暴雨時(shí)，降雨約1.8h后坡體安全系數(shù)降至約1.15，降雨約18.5h后坡體安全系數(shù)降至約1.05，因此在24h持續(xù)大暴雨下，斜坡體在0h～1.8h內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在1.8h～18.5h內(nèi)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在18.5h～24h內(nèi)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)降雨強(qiáng)度為特大暴雨時(shí)，降雨約0.6h后坡體安全系數(shù)降至約1.15，降雨約9.5h后安全系數(shù)降至約1.05，降雨約19h后安全系數(shù)降至約1，因此在24h持續(xù)特大暴雨下，斜坡體在0h～0.6h內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在0.6h～9.5h內(nèi)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在9.5h～19h內(nèi)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在19h～24h內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，降雨產(chǎn)生的雨水入滲會(huì)導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性顯著降低，在壩體服役階段須考慮降雨可能帶來的不利影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體周圍的累計(jì)降雨量及降雨強(qiáng)度，尤其是當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到大暴雨及特大暴雨級(jí)別時(shí)，為了避免該級(jí)別下的降雨持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)壩體帶來的負(fù)面影響，應(yīng)提前在壩體上設(shè)置雨水截洪溝、導(dǎo)排明溝等排水設(shè)施，以減少雨水入滲對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)論

本研究以石棚水庫大壩為研究對(duì)象，對(duì)不同庫區(qū)水位高度及不同降雨強(qiáng)度下的壩體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。1）在庫區(qū)水位影響下，壩體內(nèi)部滲流路徑分布均勻，在庫區(qū)從0m蓄水至28m的過程中，壩體安全系數(shù)降低約52.2%，當(dāng)庫區(qū)水位超過24.8m時(shí)，須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體外側(cè)邊坡水平位移及土體內(nèi)部的孔壓分布趨勢(shì)，避免產(chǎn)生滑塌隱患；若水位持續(xù)上漲，則應(yīng)采取必要的降水排水措施，例如在壩體內(nèi)部打設(shè)抽排豎井、防滲帷幕等，以減少滲流對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。2）當(dāng)降雨等級(jí)為大暴雨，降雨時(shí)長(zhǎng)達(dá)到 9.5h，或降雨等級(jí)為特大暴雨，降雨時(shí)長(zhǎng)為 19h 時(shí)，壩體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，為防止雨水持續(xù)入滲對(duì)壩體造成損害，應(yīng)提前在壩體上設(shè)置雨水截洪溝、導(dǎo)排明溝等排水設(shè)施，以減少雨水入滲對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。

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