水位升降條件下馱英水庫上游圍堰滲流及穩(wěn)定性分析

勞乃勝，王金龍，周欣華

（1.崇左市左江治旱工程管理中心，廣西 崇左 532200；2.長江水利委員會長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；3.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010）

0 引言

圍堰作為河道中修建的臨時(shí)擋水建筑物，主要用來維護(hù)永久水工建筑物的干地施工，其自身安全直接關(guān)系到主體建筑物的施工安全、工期及造價(jià)等。因此，圍堰自身穩(wěn)定性對于整個(gè)工程極其重要［1］。

滲流問題與土石圍堰的安全運(yùn)行有著緊密的聯(lián)系，很多土石圍堰的失事都是水體的滲透造成的。壩體出現(xiàn)滲漏問題后會出現(xiàn)不利的滲流場分布，從而導(dǎo)致土石圍堰發(fā)生滲透變形，更嚴(yán)重的會導(dǎo)致圍堰堰體邊坡滑移或垮塌[2]。此外，水位驟升或驟降都將使土石圍堰堰體內(nèi)滲流場在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而影響堰體尤其是上游迎水坡的穩(wěn)定性。長期蓄水后水位驟降，土石圍堰上游迎水坡由于孔隙水壓力來不及消散形成向邊坡滲流，當(dāng)水庫內(nèi)的水位降低后土壩內(nèi)的浸潤面依然處于較高位置，不但造成土壩內(nèi)土料的容重隨著水位變化而改變，還產(chǎn)生非穩(wěn)定滲流現(xiàn)象和滲透壓力，使得土體顆粒間的有效應(yīng)力快速變小，降低壩體土料的抗剪強(qiáng)度，從而影響到壩體的安全穩(wěn)定性[3]。庫水位驟升對上游迎水坡的穩(wěn)定也是不利的。因此，有必要對庫水位驟升驟降工況下土石圍堰進(jìn)行滲流及穩(wěn)定性分析，為圍堰安全評價(jià)提供參考[4]。

1 工程概況

馱英水庫主要建筑物有瀝青混凝土心墻堆石攔河壩、右岸溢洪道、右岸河道電站發(fā)電引水隧洞、右岸泄洪隧洞、左岸灌溉發(fā)電引水系統(tǒng)、渠首電站廠房、壩后河道電站廠房及場內(nèi)永久交通道路等。

攔河壩采用瀝青砼心墻堆石壩壩型，最大壩高為72.2 m，壩頂總長為225 m，壩頂寬8 m，壩頂高程為233.2 m，壩頂防浪墻頂高程234.4 m，壩基面最低高程為161 m。壩體材料分區(qū)：從上游往下游依次分為上游干砌石護(hù)坡、主堆石IA區(qū)、主堆石IVA區(qū)、次堆石IIA 區(qū)、過渡層IIIA 區(qū)；瀝青混凝土心墻；過渡層IIIB 區(qū)、主堆石IB 區(qū)、次堆石表面保護(hù)層堆石IVB區(qū)、次堆石IIB區(qū)及下游干砌石護(hù)坡等。

攔河壩上游圍堰填筑施工斷面見圖1。堰體上游采用土工膜防滲，堰體填料采用強(qiáng)風(fēng)化料，上游設(shè)計(jì)坡比為1∶2.5，下游設(shè)計(jì)綜合坡比為1∶1.8。在高程178～183 m 范圍內(nèi)填料的粘粒含量較高，透水性相對較弱。

圖1 上游圍堰計(jì)算斷面圖

依據(jù)導(dǎo)流洞泄洪全年10年一遇庫水位過程，庫前水位降落條件為：0～第55 小時(shí)為水位上升過程，水位由176.0 m 升高至205.83 m，第55～第100 小時(shí)為水位降落過程，水位由205.83 m降落至182.97 m。本文針對施工期圍堰擋水度汛工況開展?jié)B流與穩(wěn)定性分析。

2 基本理論

2.1 滲流基本理論

根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒連續(xù)性原理，以壓力水頭為未知量，二維飽和-非飽和滲流的基本方程為：

式中：kr為相對滲透率；kij為飽和滲透張量；h為壓力水頭；x2為正向向上的鉛直坐標(biāo)；C為比容水度；β為系數(shù)，非飽和區(qū)β=0，飽和區(qū)β=1；Ss為單位貯存量；t為時(shí)間；S為源匯項(xiàng)。

定解條件包括初始條件和邊界條件。

2.2 穩(wěn)定性分析理論

采用簡化Bishop法對壩坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由圓弧滑面確定的滑體被分成n 個(gè)垂直條塊。第i 條塊寬度bi，底面傾角αi，條塊體重力Wi，水平條間作用力Ei和Ei+1，垂直條間作用力（條間剪力）Xi和Xi+1，條底法向作用力Ni，條底剪力Ti，水壓力的合力Ui，滑面內(nèi)擦角φi，黏聚力ci?；姘踩禂?shù)為Fs。A.W.Bishop 假設(shè)整個(gè)滑面抗剪強(qiáng)度按同一比例調(diào)用（亦稱Bishop安全系數(shù)）。

穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式：

（1）檢驗(yàn)結(jié)果比較。47例肺部孤立性肺結(jié)節(jié)患者均接受CT增強(qiáng)掃描與常規(guī)病理檢查，比較2種檢查方式的檢驗(yàn)結(jié)果。

依據(jù)非飽和土滲流理論和極限平衡理論，本文運(yùn)用有限元分析軟件GeoStudio 對庫水位升降條件下圍堰滲流場及穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

3 滲流及穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

圍堰汛期非穩(wěn)定滲流主要是分析上游水位上升和降落過程中，堰體內(nèi)水位上升和消落過程，分析的重點(diǎn)區(qū)域是堰體，由于基礎(chǔ)開挖至巖土分界線，因此堰基部分的滲流場分布對于降落期堰體的水頭分布影響較小，計(jì)算模型只考慮堰體部分。

堰體從上游至下游分為4個(gè)填筑分區(qū)：護(hù)坡、反濾墊層、過渡料（含防滲土工膜）、堆石料。堆石料依據(jù)填料檢測和試驗(yàn)成果，又分為下部、中部、上部3個(gè)分區(qū)。

3.2 參數(shù)條件

堆石料建基面至178 m 高程為下部，飽和滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s；178～183 m 高程為中部，飽和滲透系數(shù)為1.15×10-6cm/s；183 m至堰頂為上部，飽和滲透系數(shù)為1.6×10-3cm/s?？紤]防滲土工膜失效的不利工況，土工膜所在的過渡料滲透系數(shù)取值為1.0×10-5cm/s。圍堰滲流及穩(wěn)定性計(jì)算中材料介質(zhì)的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

填料名稱護(hù)坡墊層過渡料堆石料上部（183 m至堰頂）堆石料中部（175～183 m高程）堆石料下部（175 m以下）干密度/（g/cm3）2.06 2.06 2.06抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c/（kPa）15.3 15.3 15.3 φ/（°）26.7 26.7 26.7滲透系數(shù)/（cm/s）1.0×10-3 1.0×10-3 1.0×10-5 2.11 26.8 27.3 1.6×10-3 1.90 15.3 26.7 1.15×10-6 2.11 26.8 27.3 1.0×10-5

3.3 計(jì)算工況

本次計(jì)算的運(yùn)行工況主要為施工渡汛期，考慮圍堰擋10年一遇洪水，同時(shí)計(jì)算洪水過后上游水位的退水工況，計(jì)算不同退水時(shí)間的非穩(wěn)定滲流浸潤線時(shí)上、下游堰體壩坡的抗滑安全系數(shù)，為了了解退水過程上游邊坡局部抗滑穩(wěn)定性，增加退水過程定折線滑弧局部穩(wěn)定性計(jì)算工況。具體計(jì)算工況見表2。

方案編號F1 F2 F3條件及說明上游水位176 m，下游水位164，0 m，穩(wěn)定滲流；結(jié)果作為非穩(wěn)定滲流的初始條件。上游水位205.83 m，下游水位164，0 m，穩(wěn)定滲流；結(jié)果可作為水位升降過程非穩(wěn)定滲流的對照，并可作為堰體穩(wěn)定計(jì)算的不利水位條件。上游水位對應(yīng)導(dǎo)流洞泄洪全年10年一遇庫水位過程，上游水位先升后降，歷時(shí)100 h。

3.4 滲流計(jì)算分析

穩(wěn)定滲流場水頭等值線分布，非穩(wěn)定滲流堰體浸潤線升降過程見圖2。

方案F1為穩(wěn)定滲流，上游水位為176.0 m，下游水位為164.9 m，堰體自由面較平緩，下游坡面出逸點(diǎn)高程為165.59 m，堰腳處出逸比降約為0.55。

圖2 滲流計(jì)算滲流場成果圖

方案F2 為穩(wěn)定滲流，上游水位為205.83 m，下游水位為164.9 m，此工況堰體水位最高，可作為堰體穩(wěn)定分析不利的水位條件，下游坡面出逸點(diǎn)高程為186.58 m，出逸比降為0.415，位于堆石料上部。

3.5 穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述計(jì)算斷面、計(jì)算參數(shù)、水位等計(jì)算條件和計(jì)算方法，對圍堰上、下游邊坡施工度汛期的運(yùn)行工況進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析，各工況的抗滑安全系數(shù)見表3。最小抗滑安全系數(shù)對應(yīng)的滑弧位置見圖3、圖4。

在不考慮圍堰土工布防滲條件下的堰體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果表明：

（1）圍堰汛期正常擋水形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)時(shí)（水位205.83 m），上游邊坡的抗滑安全系數(shù)為2.65，滿足規(guī)范要求，而下游邊坡的抗滑安全系數(shù)只有0.97，不滿足規(guī)范要求，主要是由于上游坡未考慮土工膜防滲，坡體浸潤線位置與出逸點(diǎn)均較高，屬于極端工況。

（2）漲水過程中，考慮較短時(shí)間漲至汛期正常擋水水位205.83 m 時(shí)，隨著水位上升，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)增大，下游邊坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變，為1.44，上、下游邊坡的抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，主要是由于漲水時(shí)間較短，坡體未形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)，浸潤線位置相對較低。

（3）退水期考慮圍堰上游短時(shí)間內(nèi)漲至汛期正常水位205.83 m后即時(shí)退水，退水期坡體滲流場處于非穩(wěn)定滲流狀態(tài)，坡體浸潤線與漲水過程的浸潤線位置基本一致，隨著水位的下降，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)減小，而下游坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變，整個(gè)退水過程圍堰上、下游邊坡的抗滑安全系數(shù)，均滿足規(guī)范要求。圍堰上游坡綜合坡比較小，定折線局部滑弧的抗滑安全系數(shù)均大于對應(yīng)整體滑弧安全系數(shù)，說明計(jì)算退水過程中出現(xiàn)淺層脫坡的可能性不大。但仍需注意在有土工膜的實(shí)際條件下，由于土工膜阻止坡內(nèi)水的出溢，而在退水過程可能發(fā)生的局部破壞。

工況編號F2備注穩(wěn)定滲流期堰前水位及浸潤線205.83 m水位穩(wěn)定滲流期上升20小時(shí)水位182.81 m上升40小時(shí)水位183.87 m上升55小時(shí)水位205.83 m退水20小時(shí)水位190.13 m穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)1.25抗滑安全系數(shù)漲水期1.25退水期F3 1.44滑面特性整體滑動整體滑動整體滑動整體滑動整體滑動局部滑動整體滑動局部滑動整體滑動局部滑動退水40小時(shí)水位183.87 m 1.25下游坡0.97 1.44 1.44 1.44 1.44非穩(wěn)定滲流期退水45小時(shí)水位183.0 m上游坡2.65 1.93 2.10 4.35 2.25 3.19 1.95 2.74 1.91 2.74 1.44

圖3 方案F2汛期高水位穩(wěn)定滲流期典型滑弧圖

圖4 方案F3汛期庫水升降過程圍堰上游邊坡典型滑弧圖

4 結(jié)論

（1）汛期高水位穩(wěn)定滲流工況堰體水位最高，堆石料出逸比降為0.415，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)為2.65，滿足規(guī)范要求；而下游邊坡的抗滑安全系數(shù)只有0.97，不滿足規(guī)范要求，該安全系數(shù)值反映上游坡考慮土工膜防滲失效且長期未有效退水的狀態(tài)，坡體浸潤線位置與出逸點(diǎn)均較高，屬于極端工況。汛期在該條件下建議考慮對圍堰下游坡進(jìn)行反濾保護(hù)和壓坡處理。

（2）施工期度汛水位先升后降，非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果表明：由于上游側(cè)過渡區(qū)滲透性較低，庫水位上升時(shí)間較短，坡體未形成穩(wěn)定滲流狀態(tài)，浸潤線位置相對較低。上游水位變動，只對過渡料上游側(cè)區(qū)域影響較大，對下游側(cè)的堰體影響很弱，歷時(shí)100 h 先升后降的非穩(wěn)定滲流過程中，堰體水位基本與初始時(shí)刻相同。

（3）漲水過程中，隨著水位上升，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)增大，下游邊坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變。退水過程中，隨著水位的下降，上游邊坡的抗滑安全系數(shù)減小，而下游坡的抗滑安全系數(shù)基本維持不變，整個(gè)退水過程圍堰上、下游邊坡的抗滑安全系數(shù)，均滿足規(guī)范要求。

（4）圍堰上游坡綜合坡比較小，定折線局部滑弧的抗滑安全系數(shù)均大于對應(yīng)整體滑弧安全系數(shù)，說明計(jì)算退水過程中出現(xiàn)淺層脫坡的可能性不大。但仍需注意在有土工膜的實(shí)際條件下，由于土工膜阻止坡內(nèi)水的出溢，而在退水過程可能發(fā)生的局部破壞。