壩頂開裂和水位驟降對土壩抗震穩定性影響

徐惠民，高玉峰，柴永進，王景全，鄒德高

(1.南京水利規劃設計研究院股份有限公司，江蘇 南京 210014; 2 河海大學，巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098; 3. 中設設計集團股份有限公司， 江蘇 南京 210014; 4. 東南大學， 混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室， 江蘇 南京 201196; 5.大連理工大學， 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

土石壩作為人工構筑的擋水建筑物，其壩坡穩定問題比較典型。由于壩體邊坡太陡，或者因填土的抗剪強度太小，使得滑塌面以外的土體滑動力矩超過抗滑力矩，從而產生滑坡。在地震高烈度地區，土壩抗震穩定性分析校核尤為重要。

土石壩壩頂裂縫及庫區庫水驟降是引起土石壩破壞的主要形式。白永年等系統統計國內外震后土石壩破壞形式，從震害類型來看，裂縫是主要震害，大約占破壞土石壩震害形式的80%左右。土壩產生裂縫勢必降低壩體抗滑力和弱化受力狀態，通常情況下裂縫內會有水灌入，增加了額外的水壓力，當裂縫達到使壩頂喪失穩定的長度和深度時，壩頂出現滑塌。土石壩在地震中實際發生潰壩的很少，主要以局部破壞的形式存在，裂縫引起壩頂局部滑塌是主要的破壞形式。林鵬等研究了土體飽和度對土的抗剪強度的影響，發現當土體飽和度達到90%時，土體的抗剪強度僅有60%飽和度下土體的1/5。眾多水庫土壩失事表明因降雨而水庫漲落是誘發庫岸滑坡的重要因素，意大利的Vajoint水庫，由于持續降雨和人為調控引起庫水驟漲驟落，誘發庫岸滑坡，致使庫水漫過262m高的拱壩，毀滅下游城市村莊。洪登明統計國內滑坡資料表明，我國約有80%以上的滑坡是由降雨引發的，有的省區可以達到94%。由于降雨量在短期內造成臨水邊坡的水位急劇上漲，當坡外水位由于開閘放水等原因引起驟降，最終導致滑坡。

在臨沂地震高烈度區域分布了許多病險土壩，這些土壩經歷了開裂和水位驟降后，其抗震性能需要進行評估。本文依托山東臨沂龍潭水庫土壩工程，利用邊坡穩定性分析軟件SLOPE/W，基于極限平衡理論及水工建筑物抗震規范所建議的擬靜力法，考慮土壩經歷壩頂開裂和水位驟降后，對其地震穩定性進行評估。

1 工程概況

山東臨沂龍潭水庫位于新沭河一級支流穆疃河支溝蛟龍河上游，屬新沭河水系。庫壩區地處魯東塊隆低山、丘陵區南部的沖洪積平原上，屬膠南穹狀塊隆山地坡腳前緣，地形總體上西北高東南低。水庫地處剝蝕丘陵區，基巖埋藏較淺，覆蓋層厚度不大，且多以砂壤土為主，壩體填土多以砂壤土為主。水庫控制流域面積8.0km2，流域形狀呈柳葉形，流域寬度平均2.0km。龍潭水庫總庫容1260

圖1 龍潭水庫土壩計算模型

萬m3，興利庫容1040萬m3，興利水位54.50m；死水位47.00m，相應死庫容為150萬m3。是一座具有防洪、灌溉、發電、水產等多功能的中型水庫。水庫來水面積不大，流域自身產生的洪水危害不大，但水庫蓄水量多，水位較高，興利和防洪位置重要，而水庫下游有327國道和蛟龍鎮駐地，一旦出現問題，造成的洪水危害將很大。本區位于華北地震區-華北平原地震亞區-營口-郯城地震帶，地震活動以強度大、頻次高為主要特點。據歷史記載，工程區100km范圍內已發生的5.0級以上地震7次。據GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》，庫壩區的地震動反應譜特征周期為0.45s，地震動峰值加速度為0.20g，相應地震基本烈度為Ⅷ度。

2 計算模型及物理力學參數

SLOPE/W軟件主要運用極限平衡理論對不同土體類型、復雜地層和各種滑移面形狀的邊坡穩定性進行建模分析。本文基于SLOPE/W軟件中的簡化Bishop法，在傳統的瑞典圓弧法的基礎上補充了條塊間水平力的影響，比瑞典圓弧法更為嚴密，而且通過土條豎向力的平衡以及整體力矩平衡條件，能夠避免對水平力的大小和作用點的計算，誤差僅為2%～7%，滿足實際工程計算要求。

龍潭水庫壩基高程36.6m，壩頂高程55.5m，壩高18.9m，壩頂寬7.15m，上游壩坡分為兩層，上層坡度為1∶2.7，下層坡度為1∶5.6，覆蓋層由壩址區的砂壤土和壤土組成，厚度為2.6m。根據邊坡工程地質橫剖面圖，利用SLOPE/W軟件建立有限元模型，如圖1所示。取計算區域的底寬為壩基寬度的2倍，以消除邊界效應。實際上游邊坡正常蓄水位高程53.55m，相對壩體模型16.9m處的蓄水位。

上游壩頂部分填土主要以壤土為主，壤土的性質則介于砂土與粘土之間，通氣透水性較好，壩體和壩基以壤土和砂壤土為主，具體材料參數選取見表1。為充分考慮穩定滲流作用下地震邊坡穩定性，對于滲透系數的參數選擇見表2。

表1 龍潭水庫壩區材料物理力學參數

表2 材料滲透系數

3 計算結果分析

3.1 壩頂裂縫引起壩坡局部滑動分析

由于壩頂壤土特性介于砂土與粘土之間，一旦壩頂區域出現裂縫，必定造成壩頂區域的填土材料處于飽和狀態，不考慮壩頂裂縫時，降雨入滲的影響范圍不足1m，考慮壩頂裂縫時，降雨入滲的影響范圍達到4m以上。為對比上游壩體壩頂裂縫引起壩體穩定性，在靜力條件下開展有無裂縫情況下的穩定數值模擬分析，如圖2所示，壩頂無裂縫時得到的安全系數超過4.7，而有裂縫存在時安全系數僅為1.167，壩頂的安全系數下降明顯，只有前者的1/3，可以看出，滑動面沒有貫穿到壩坡坡腳，是壩坡局部穩定性問題，裂縫的存在使土石壩處于局部不穩定狀態。

當壩頂產生裂縫后，采用擬靜力法對土壩上、下游壩坡開展地震穩定性分析，分別考慮了7度、8度、9度地震強度作用，表3給出了對應的地震壩坡安全系數。通過與不考慮開裂破壞的地震邊坡安全系數對比分析，可以發現壩頂開裂對壩坡抗震穩定性有顯著影響，嚴重降低了壩坡的抗震性能，最大超過80%。對于上游壩坡穩定性，壩頂開裂引起的穩定性降低程度隨著地震強度的增加而增加，而下游壩坡穩定性影響相反。壩坡開裂對上游壩坡穩定性影響較下游影響更為顯著，這點在進行抗震加固時需要注意。在實際工程中，需要對土壩壩頂開裂情況進行排查，評估其對土壩抗震穩定性的影響程度，采取有效的加固修復措施，從而保證其抗震性能。

圖2 靜力條件下裂縫對土石壩壩頂穩定性分析圖

表3 裂縫對土壩壩頂安全系數影響

3.2 水位驟降對壩坡局部穩定性的影響分析

龍潭水庫控制流域面積8km2，屬較小流域，洪水多由24h暴雨形成，對水庫調洪演算起控制作用的洪水也是由24h暴雨形成的，當洪水水位線短期內驟降時，便會引起水庫土壩壩坡的滑塌。設計洪峰水位線為壩頂位置，其穩態滲流場如圖3所示。洪峰設計水位線在3h內驟降2m后，由調控穩定在53.m不變，庫水驟降后的坡內滲流場及水位線如圖4所示。比較圖3、圖4可知，庫水驟降后的壩體內水頭差為驟降后的坡外水位水頭，壩頂處的水頭還處在驟降前的狀態，坡外水位線以上的壩頂部分甚至有坡內水向坡外流動的趨勢。設計洪峰水位驟降曲線為3h內達到驟降位置，超過3h后坡內水位線有輕微的下降，相對驟降前的設計洪峰坡內水位線沒有太大改變，壩頂坡內水位線以下部分填土在進行穩定分析時處于浮重度狀態。

圖5所示為庫水驟降后土壩在靜力條件下壩坡穩定性，經搜索得到壩頂局部淺層滑動是其最危險滑面，安全系數為1.293。圖6給出了下游壩坡由于缺少坡水壓力的作用，搜索得到的滑動面為貫穿整個壩體的整體滑動面，其安全系數為1.221。考慮水位驟降后土壩壩坡抗震安全性，表4列出各地震烈度下上游壩頂的穩定性安全系數。從表中可以發現水位驟降后，壩坡的抗震穩定性急劇降低，超過70%，嚴重影響了土壩的抗震穩定性。庫水驟降引起坡內水位線下降滯后，造成沒有坡水壓力影響的壩頂部分填土處于浮重度的狀態下，在進行壩坡安全穩定性驗算時極容易出現滑塌，也就是出現壩頂的局部破壞。

圖3 洪峰設計水位水庫滲流場

圖4 庫水位驟降后水庫土壩滲流場

圖5 庫水驟降引起的上游局部滑塌

圖6 庫水驟降引起的下游破壞面

4 結論

本文針對壩頂開裂和庫水位驟降影響下土壩抗震穩定性問題開展分析，依托山東臨沂龍潭水庫土壩工程進行研究。壩頂開裂對土壩上、下游壩坡抗震穩定性影響顯著，最大降低了80%。相比下游壩坡抗震穩定性，壩頂開裂對上游壩坡抗震穩定性影響更加明顯，極易發生局部破壞。庫水位驟降后，土壩壩坡抗震穩定性急劇降低，超過70%。因此，在實際工程中，需要重點排查壩頂開裂情況，做出相應的修復措施，保障其抗震性能。此外，當土壩經歷地震后，應盡量避免立即采取排空庫水位，以免余震對水位驟降后的上游壩坡產生影響。

表4 庫水驟降條件下對土石壩壩頂安全系數影響