庫水位驟降期深圳水庫壩坡穩定分析

2018-06-13 09:55:28劉嬋玉

陜西水利 2018年3期

關鍵詞：分析

劉嬋玉

0 前言

庫水位驟降會導致壩坡穩定性降低[1]。近些年，已有很多學者對自然邊坡和構造邊坡在庫水位驟降條件下的穩定性進行了廣泛研究[2-3]。深圳水庫是以供水、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定，對于深圳水庫的供水穩定和安全意義重大。

1964年初深圳水庫被納入東深工程，1965年3月正式對港供水。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年間進行了三次擴建。期間對深圳水庫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的滲透參數，文章擬合得到深圳水庫主壩各層土體及防滲墻的滲透系數，在此基礎上選取典型計算斷面進行滲流分析。

1 水庫概況

深圳水庫位于深圳市東北約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，相應庫容3348.41 萬m3，設計洪水位（P=1%）28.83m，相應庫容3854.72萬m3，校核洪水位（P=0.05%）為30.24 m，總庫容為4496.56萬m3。

本文重點研究主壩在庫水位驟降過程中上、下游壩坡的穩定。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630 m，迎水面壩坡1∶3及1∶2，背水面壩坡1∶2～1∶3。壩腳設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，下伏強風化千枚巖和石英砂巖。

2 穩定分析思路和計算工況

2.1 穩定分析思路

2.1.1 滲流分析

首先選取深圳水庫2007～2014年壩前水位及其對應的實測測壓管水位數據復核主壩1#典型斷面的滲流穩定，通過各斷面測壓管水位連線所得出的浸潤線與計算浸潤線進行擬合反演推算，參照《深圳水庫安全鑒定工程地質勘察報告》[5]中不同材料滲透系數的推薦取值范圍，經過不斷調整各材料滲透系數，使計算浸潤線與實測浸潤線擬合，對大壩各材料的滲透系數進行修正，更好的反映壩體實際滲透性。

然后利用上述反演分析得出的修正滲透系數，對主壩1#典型斷面進行滲流穩定分析。

最后，選取主壩2#典型斷面（與1#典型斷面鄰近）并對其進行滲流穩定分析。同時，對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是否合理。

2.1.2 穩定分析

根據《深圳水庫安全鑒定工程地質勘察報告》[5]和現場檢查情況所選取2#典型斷面進行穩定分析。

2.2 計算程序

本次滲流復核計算采用有限元法按二維平面問題進行計算，計算軟件采用北京理正軟件設計研究院開發的《理正巖土計算6.0版》的《滲流分析計算》進行。

本次穩定復核計算采用河海大學《autobank7.061》計算軟件，假設沿圓弧滑裂面滑動破壞，對不同的工況組合，按計及條塊間作用力的簡化畢肖普法進行分析計算。浸潤線采用《深圳水庫土壩滲流安全復查報告》[6]中有關成果。

2.3 計算工況及特征水位

2.3.1 滲流分析

對典型斷面進行滲流分析，計算工況主要考慮非常運行條件校核水位對應的情況：

1）上游校核洪水位與下游相應的最低水位；

2）上游校核洪水位降落至正常蓄水位（降落所需時間13小時）。

2.3.2 穩定分析

對典型斷面進行穩定分析，計算工況參考《碾壓式土石壩設計規范》[7]結合深圳水庫運行調度過程中經常出現運行工況，選取以下庫水位驟降典型工況。

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

2）上游設計洪水位驟降至正常蓄水位組合時上游壩坡穩定分析（29.07 m降至27.6 m，水位差1.47 m，降落所需時間8小時）。

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

2.3.3 特征水位

特征水位見表1。

表1 深圳水庫特征水位表

2.4 計算斷面與計算參數

1）1#典型斷面和2#典型斷面分別如圖1、圖2。

圖1 主壩1#典型計算斷面

圖2 主壩2#典型計算斷面

2）滲流分析計算中的土體滲透系數見表2。

表2 主壩土體滲透系數表

3）穩定分析計算中的土體物理力學參數。按規范《碾壓式土石壩設計規范》[7]中第8.3.5條規定，本工程的工程等別為Ⅱ等，主要建筑物為2級，壩體與地基的土體的抗剪強度指標應采用三軸儀測定。由于壩體土料為粘性土，故對于穩定滲流期應采用土體的三軸抗剪有效應力強度指標，而對于庫水位降落期則同時采用土體的三軸抗剪有效應力強度指標與三軸抗剪總應力強度指標，即強度計算方法應分別采用有效應力法與總應力法。這次計算采用的壩體土料物理力學指標參照《深圳水庫安全鑒定工程地質勘察報告》[5]，詳見表3（壩后坡堆石因無法取樣指標為經驗值）。

表3 本次安全鑒定壩體物理力學參數表

3 計算結果分析

3.1 滲流計算結果

3.1.1 材料滲透系數的修正

根據2007～2014年實測壩前水位及對應測壓管水位資料[4]進行分析可知，壩前水位主要在24.96 m～28.35 m的區間范圍內變動，本次為了分析的方便及計算的統一性，選擇正常蓄水位27.6 m對應的測壓管水位浸潤線作為反演分析的擬合標準。選擇時考慮監測時段前后無降水且水位相對穩定時段的實測浸潤線作為典型。

通過反演分析計算1#典型斷面浸潤線與實測測壓管浸潤線對比如圖3所示。反演分析確定的各材料的修正滲透系數見表4。

圖3 主壩1#典型斷面浸潤線與實測測壓管浸潤線對比圖

表4 主壩各層土體修正滲透系數表

3.1.2 主壩1#典型斷面的滲流分析

利用上節反演分析得出的大壩各材料的修正滲透系數來復核主壩1#典型斷面的滲流穩定，計算工況主要考慮非常運行條件校核水位對應的情況。主壩1#典型斷面校核計算工況浸潤線計算成果見圖4、圖5。校核工況單寬滲流量計算成果見表5。

1）由圖4可知，浸潤線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現驟降。

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

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定滲流浸潤線圖

圖5 主壩1#典型斷面校核洪水位水位降落浸潤線圖

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（詳見表4）來復核主壩2#典型斷面的滲流穩定。主壩2#典型斷面各工況浸潤線計算成果見附圖6～附圖7。主壩各工況單寬滲流量計算成果見表7。

1）由圖6可知，浸潤線在塑性混凝土防滲心墻的作用下出現驟降。

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

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算成果比較接近。認為反演分析得到壩體各層新的修正滲透系數可以反映壩體實際滲透性。

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#典型計算斷面校核洪水位穩定滲流浸潤線圖

圖7 主壩2#典型計算斷面校核洪水位水位降落浸潤線圖

3.2 穩定計算結果

本次計算所選主壩2#典型斷面壩坡穩定計算成果見表7。各工況下主壩2#典型斷面壩坡穩定計算成果見圖8～圖10。由表7可知，深圳水庫主壩2#典型斷面在庫水位驟降典型工況下，上游壩坡穩定最小安全系數均滿足規范要求。上游壩坡穩定最小安全系數受庫水位下降速率影響，庫水位下降速率越大，上游壩坡穩定最小安全系數越小。