庫水位驟降下土石壩損傷評價與管理對策

韓國波 張麗華 杜巖 鄭孝婷 劉日成

摘要：庫水位的快速下降會造成土石壩上游坡面產生損傷，這是威脅中小型土石壩安全運行的因素之一。大量研究表明，土石壩在庫水位下降時，上游坡面的安全性會大大降低，產生累積損傷，降低大壩的使用壽命。以大伙房水庫土石壩為例，在不同水位降速情況下對其坡面進行損傷評價，結果表明：水位降速越快損傷越嚴重，控制水位下降速度和幅度可有效規避損傷的發生。通過設置3級水位下降閾值指標，即輕度損傷、中度損傷和重度損傷控制指標，可為土石壩安全運行提供參考，該方法操作簡單，可有效減少土石壩在水位驟降時的壩體坡面累積損傷，具有較強的工程應用價值。

關鍵詞：土石壩;水位驟降;損傷;水位下降閾值指標;大伙房水庫

中圖分類號：TV698.2⁺3 文獻標志碼：A

長時間正常運行的土石壩在庫水位驟降時，壩體內部孔隙水壓力來不及消散，水分向上游坡面溢出，從而在壩坡滲透力作用下可能發生損傷，降低土石壩的安全性。每一次庫水位驟降造成的損傷效應可能不顯著，但多次重復庫水位驟降后，損傷效應可能會累積性發展[1]。20世紀，江西、湖北等地的多個水庫在泄洪或水位驟降時產生上游坡面損傷和破壞，造成較大損失。陳祖煜[2]認為庫水位降落時黏性土的抗剪強度由庫水位降落前的法向有效應力決定，水位下降期大壩的安全系數會大大降低，有可能產生坡面損傷破壞;岳慶河等[3]研究表明飽和滲透系數相同時，庫水位降落速度越快則上游壩坡穩定性越差;王東林等[4]采用理正分析軟件進行非恒定滲流分析計算和邊坡穩定分析，研究不同庫水位降落速度、壩體滲透系數和給水度條件下均質土壩非穩定滲流場的變化規律，驗證了把k/μv（其中：k為滲透系數聲為給水度，v為降水速度）作為庫水位降落快慢的指標來判別壩坡穩定的合理性;時鐵城等[5]基于Geo-slope軟件對壩坡進行穩定性分析，認為當庫水位驟降時，壩體內部的孔隙水壓力往往不能馬上消散，因此應按設計的庫水位降落速度予以控制;于滿滿等[6]針對某土石壩進行研究，得出水庫大壩斷面浸潤線的黃色和紅色預警指標;張旭等[7]通過建立滲流場一應力場的流固耦合計算模型，揭示了孔隙水壓力差的不斷變化直至減弱消散以及浸潤線滯后庫水的時間效應。雖然在基于非飽和滲流模型的土石壩安全評價、滲流與安全系數關系方面取得了很多成果，但是對土石壩上游壩坡損傷評價和對策研究還有待進一步深入。事實上，巖土體在不利應力環境下會產生累積損傷，進而產生破壞[8]。因此，對庫水位下降過程中的土石壩損傷進行控制，減少水位驟降產生的壩體坡面損傷，是目前提升土石壩運維管理水平的重要手段。本研究以大伙房土石壩為例，基于非飽和滲流模型，引入損傷系數，在不同水位工況下進行壩坡損傷評價分析，確定不同水位驟降速率下庫水位控制閾值指標，以期為工程運維管理提供參考。

1 工程概況及工況條件

大伙房水庫位于遼寧省渾河中上游，是渾河干流上的控制性骨干工程，于1954年4月正式開工，1958年9月竣工。水庫按防御千年一遇洪水設計、萬年一遇洪水校核、可能最大暴雨復核，設計洪水位136.0m，最高洪水位138.8m，正常蓄水位131.5m，防洪限制水位126.4m。壩體類型為黏土心墻砂殼壩，壩長1367.0m，最大壩高49.2m，壩頂高程139.2m，防浪墻頂高程140.2m，黏土心墻頂高程136.8m，壩頂寬8.0m。壩體模型如圖1所示，其物理力學參數見表1。

1.1 速降指標

目前，研究水庫水位驟降的通用評價指標為k/μv，反映土石壩壩體內孔隙水降落速度與水庫水位降落速度之間的比值關系。

當k/μv→0時，壩體內自由水面在庫水位下降過程中幾乎不動，孔隙水壓力不能消散，水位降落會對土石壩壩坡造成損傷;反之，當k/μv→∞時，自由水面下降速度幾乎和庫水位降落速度相同，水位降落不會對土石壩壩坡造成損傷。

已知壩殼飽和滲透系數為1.5×10^-2cm/s，心墻飽和滲透系數為1.35×10^-8cm/s，根據壩殼土的滲透系數可確定該壩殼材料的給水度為0.21[9]。根據研究壩體的水位速降監控閾值以及水庫水位最大驟降速率[10]，本研究采用1

1.2 壩體損傷工況條件的界定

根據規范[11]規定，土石壩在非正常工況運行時的設計安全系數為1.3，因此取該安全系數下的工況條件為嚴重損傷工況條件，即100%嚴重損傷條件，其他情況的損傷系數可由如下公式計算：式中：η為損傷系數;F_si為某下降水位下的安全系數;F_s0為原有安全系數。

取損傷系數η=0.5為中度損傷工況條件、損傷系數η=0.3為輕度損傷工況條件，見表2。

蓄水位從高水位下降時，定義損傷系數達到0.3對應的水位為輕度損傷限制水位，損傷系數達到0.5和1.0對應的水位分別為中度損傷限制水位和重度損傷限制水位。通過研究不同速降指標和水位下的損傷系數，得到水位下降控制閾值，從而為大壩管理維護提供技術參考。

2 試驗結果

2.1 滲流參數驗證

為了保證滲流分析結果正確，首先進行測壓管監測數據與模擬結果對比驗證。主壩0+500斷面測壓管監測數據與對應的模型計算結果見表3，模型計算結果最大絕對誤差為0.03m，表明設置的滲流參數和建立的模型與實際情況基本吻合。

2.2 不同速降情況下水位指標控制結果

與庫水位下降速度相比，浸潤線的下降速度存在滯后現象，庫水位剛開始下降時滯后不明顯，當水位下降一定高度時，浸潤線出現明顯朝向坡外的情況。將基于非穩定滲流場得到的浸潤線計算結果調入Geo-slope，可得到壩坡損傷系數，初始庫水位為138.8m、5種不同水位降速的壩體損傷系數變化情況見圖2。圖2表明：水位降速越快，損傷系數越大、損傷越嚴重;水位下降得越低，損傷系數越大，損傷破壞發生的概率越大。因此，在水位驟降期間，應當對庫水位的降速和降幅作出限制，避免水位驟降造成坡面損傷。

2.3 不同損傷工況下的水位下降安全閾值

以初始庫水位138.8m為例，針對不同驟降速率進行大壩的損傷評價研究。基于式（1）和表2，可得在5種不同水位驟降速率下的3級水位控制指標：①輕度損傷控制水位指標為一般控制水位，即降低至該水位時應停止下降，防止發生輕度損傷;②中度損傷控制水位指標為嚴格控制水位，應嚴格控制一次性降低至該水位線以下;③重度損傷控制水位指標為預警水位，當水位一次性下降至該水位時，有發生破壞的風險。138.8m初始庫水位不同損傷工況下降閾值指標見表4。以0.020cm/s速降工況為例，由表4可知：應盡量避免將庫水位下降至133.20m（輕度損傷控制指標）以下;嚴禁將水位一次性降低至131.51m（中度損傷控制指標）以下;當水位一次性降低至125.36m（重度損傷控制指標）時，壩體處于高危狀態，應及時發布安全預警。

3 討論

3.1 庫水位驟降下土石壩坡面損傷

早在20世紀70年代，我國曾有2座水庫因水位驟降而產生損傷破壞。近些年來，土石壩在長期運維過程中，常常忽視水位波動對土石壩坡面的損傷，使得越來越多的老舊壩體過早進入大修狀態。因此，對庫水位下降過程中的土石壩累積損傷進行控制，是目前土石壩管理運維的重要內容。

以大伙房水庫水位從138.8m下降至132.0m為例，在驟降速率為0.020cm/s的情況下，損傷系數高達0.48，比水位下降速率為0.002cm/s的損傷系數0.23增大了1.1倍。因此，在滿足需求的前提下，應當盡量減小水位驟降速率，以有效減少壩體坡面損傷。

3.2 庫水位驟降水位控制指標

目前，大多數土石壩的日常監測只關注壩體整體安全，忽視水位驟降對壩體坡面損傷的控制，而從損傷的角度看，這種做法值得商榷。

非恒定滲流分析計算與損傷評價可知，在過快的水位降速下，壩體坡面會發生嚴重損傷[12]。從損傷學的角度可實現不同驟降工況下壩體坡面損傷的控制，即在給定的驟降速率下，嚴格按照庫水位的下降閾值進行控制，可有效減少損傷的發生。

實際上，中小型水庫最重要的監控指標是庫水位，監控庫水位的時效性往往優于測壓管水位等其他監測指標。因此，把庫水位作為損傷系數的控制指標，并應用于工程實踐具有顯著優勢。可以通過限制水位指標，實現土石壩更為精細化的運維管理，有效減少水位驟降帶來的壩體坡面損傷。這對增加土石壩的使用壽命、降低大修頻率，都具有極強的可實施性和工程指導意義。

3.3 工程應用可行性分析

庫水位下降對土壩上游邊坡穩定有顯著影響[13]，而在水庫運維管理中，受人力、物力及技術等限制，對壩體內部物理參數很難做到實時監測和分析。基于此，本研究以大伙房水庫為例，基于非飽和滲流模型，采用直觀的監測指標——庫水位，對壩體坡面損傷進行控制，具有很強的應用可操作性。在大壩處于水位驟降工況下，可以根據不同工況，選取合理的水位控制指標，通過簡單圖表查詢，實現水位驟降下壩體坡面累積損傷的最小化管理，確保壩體坡面不因壩坡內遲滯的滲透力作用而產生破壞損傷。以0.005cm/s的水位降速工況為例，由表4可知，130.83m為輕度損傷控制水位，因此在這一水位線應停止降低庫水位，待壩體內浸潤線趨穩后再降低庫水位。

采用3級損傷水位下降控制指標，可擺脫目前土石壩現場條件的制約，從而使得土石壩運維管理更加科學高效。這種損傷控制的簡單圖表查詢操作方法，一方面可實現壩體坡面累積損傷的最小化、降低大修頻率，另一方面可實時快捷查詢，大大精減工作量，方便現場決策，提高大壩安全的應急管理水平和救援效率。

4 結論

（1）在相同工況下，水位降速越快土石壩坡面損傷越嚴重，控制庫水位驟降速度和降幅可有效減少損傷的發生，因此可以通過對庫水位進行控制實現壩體坡面累積損傷的最小化管理。

（2）為便于科學決策和操作，可建立3級損傷水位下降閾值指標，即輕度損傷控制指標、中度損傷控制指標和重度損傷控制指標。其中：輕度損傷控制指標為一般控制水位，即降低至該水位時應停止下降，防止發生損傷;中度損傷控制指標為嚴格控制水位，須嚴格控制;重度損傷控制指標為預警水位，當水位一次性下降至該水位時有發生破壞的風險，應及時發布安全預警。

（3）采用水位控制指標對大壩損傷進行控制，可建立滿足實際需要的應急運維方案，確保水位驟降下壩體坡面累積損傷的最小化，實現實時快捷的查詢、大大精減工作量，方便現場作出科學決策，提高大壩安全管理水平和應急指揮效率。

致謝：本文撰寫過程中得到北京科技大學謝謨文教授的精心指導，特致謝意！

參考文獻：

[1]鄧華鋒，李建林.庫水位變化對庫岸邊坡變形穩定的影響機理研究[J].水利學報，2014，45（增刊2）：45-51.

[2]陳祖煜.庫水位驟降期土石壩邊坡穩定分析總應力法的計算步驟[J].水利水電技術，1985（9）：30-33.

[3]岳慶河，劉福勝.庫水位回落條件下土石壩邊坡穩定分析[J].水利水運工程學報，2008（3）：81-85.

[4]王東林，李宗利，張洪泉.庫水位驟降對均質土壩壩坡穩定的影響分析[J].人民黃河，2011，33（4）：147-149.

[5]時鐵城，阮建飛，張曉.庫水位驟降情況下土石壩壩坡穩定分析[J].人民黃河，2014，36（2）：93-94.

[6]于滿滿，謝漠文，杜巖，等.水庫大壩滲透穩定性監控指標研究[J].水利與建筑工程學報，2014，12（2）：26-30.

[7]張旭，譚卓英，周春梅.庫水位變化下滑坡滲流機制與穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2016，35（4）：713-723.

[8]杜巖，謝漠文，蔣宇靜，等.應用激光多普勒測振儀的巖塊體累計損傷評價試驗研究[J].工程科學學報，2017，39（1）：141-146.

[9]李家星，趙振興.水力學[M].南京：河海大學出版社，2001：45-47.

[10]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003：123-124.

[11]國家發展和改革委員會.碾壓式土石壩設計規范：DL/T5395-2007[S].北京：中國電力企業聯合會標準化中心，2007：45-48.

[12]FATTAH M Y，OMRAN H A，HASSAN M A.Behavior ofan Earth Dam During Rapid Drawdown of Water in Reser-voir：Case Study[J].International Journal of Advanced Re-search，2015，3（10）：110-122.

[13]SOULIYAVONG T，GALLAGE C，EGODAWATTA P，etal.Factors Affecting the Stability Analysis of Earth DamSlopes Subjected to Reservoir Drawdown[C]//Proceedingsof the Second International Conference on Geotechnique，Construction Materials and Environment.Kuala Lumpur：The Geomate International Society，2012：507-512.