水庫水位波動對土壩滲流的影響

阿不都賽依迪·賽麥提

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 述

土壩除了擁有明顯的優勢外，同樣具有可能威脅人類和環境的潛在危害。因此，在處理大壩時，從設計、建設和管理階段都需要經過特殊處理。1970年，江西七一水庫在引水隧洞施工期因采用巖塞爆破而無法控制庫水位的降落速度(v=1.15 m/d)，左右壩段上游發生滑坡[1]。土壩垮塌的機理與水位波動以及與壩體土壤物質的相互作用密切相關。因此，有必要從水位波動、壩坡傾角和構成壩體的土體類型等方面分析庫水位升降對土壩滲流的影響。本文采用物理模型試驗的方法，分析水庫水位波動對土壩結構滲流破壞的影響。

2 滲流與土壩穩定性

邊坡破壞的原因之一是孔隙水壓力的增加[2]。土壤滲透性定義為流體向上流過孔隙洞的土壤特性，水在土壤中的流動稱為滲流。水流的阻力取決于土壤類型、顆粒大小、土壤質量密度和孔隙洞的幾何形狀。Casagrande提出了一種基于上下行不同水位、坡度、水力梯度和土壤滲透性的計算滲流的解析方法[3]。滲流模擬可以用SEEP/W程序進行數值模擬，在分析中使用的輸入參數是模型的幾何形狀和大壩模型的土壤數據，如粒度、孔隙比、單位重量和滲透系數[4]。

3 研究方法

3.1 材料和儀器

建模采用來自新疆塔里木盆地的沙子作為主要材料。全砂料要通過10號篩(2 mm)，選取保留在200號篩(0.075 mm)上的砂。對于混合料，其中粉砂要經4號篩(4.75 mm)篩選出來，才可以采用。所有大壩模型的材料都是砂和粉砂混合物的3種比例變化，即100%的砂；90%的砂和10%的粉砂；80%的砂和20%的粉砂，它們具有相同的密度(γ)= 1.7 g/cm3和不同含水量(w)，分別為13.08%、14.27%和13.50%。

本文采用的主要設備為排水滲水池，見圖1。通過對泵閥進行改造，控制上游水位上升和下降的速率。

圖1 排水滲水池滲流模型試驗示意圖

3.2 研究階段

配制階段包括土料含水量、密度、單位重量、粒度分析、標準滾筒、直剪和三軸試驗。通過對排水和滲水池的模擬，可以很好地觀察到垮塌過程。大壩模型示意圖見圖2。模型高30 cm，寬10 cm，固定的下游坡度(1∶1)。上游坡度按1∶1、1∶1.5和1∶2變化。

圖2 模型圖正面

上游坡度為1∶2的土壩模型見圖3。

圖3 上游坡度為1∶2的土壩模型

3.2.1 滲流實驗

實驗開始時，水以閥門設定的速率流向大壩上游。每15 min時水位上升到一個穩定的水平就測量并記錄。從下游出水管流出的水作為滲流流量進行測量。用同樣的方法，將試驗繼續進行直到最大水位250 mm或者直到模型已經顯示滑坡。

全砂質材料筑壩模型代號為S，其中一種由90%的砂和10%粉砂混合物筑壩模型代號為S90，另一種由80%的砂和20%的粉砂筑壩模型代號為S80。上游坡度分別為1∶1、1∶1.5和1∶2的模型編碼為M1、M1.5和M2。閥門開度為1、2、3的型號分別編號為1、2、3等等。因此，以上游坡度為1∶1，閥門開度為1的全部由砂構成的模型為例，滲流模型編碼為S-M1-1。

3.2.2 上游水位的漲落

上游水位的漲落是通過將上游水位快速上升至最大高度開始的。當最高水位達250 mm時，觀測記錄上升速率。同時，對滑坡過程進行觀測，以識別滑坡的初始破壞及其機理。當水位高度變化每5 cm時都要重復以上這一步驟。

到達250 mm水位后，繼續進行上游水位下降(快速下降)試驗。水位下降速度采用排水閥來控制。當水位達到最低高度1.3 cm時，下降停止。

上游坡度為1∶1、1∶1.5和1∶2的模型用A、B、C進行編碼，實驗中水位上升為R；下降為L。例如，砂石材料引起的水位上升模型在上游坡度為1∶1，開閥為1的情況下，模型為S-RA1，下降模型為S-LA1。

4 分析與討論

根據試驗結果，可以分析各模型發生的滲流量以及水位升降與壩體滲流的關系。利用室內試驗測得的滲透系數，采用解析法和數值法計算滲流量。此外，還可以分析上游水位快速上升/下降速率對壩體邊坡穩定性的影響。

根據初步土體試驗結果表明，土體為高塑性砂質粉土，而土體混合土(粉砂混合土)的滲流分析結果可作為滲流分析的依據。用于分析滲流的土體參數有孔隙比、粒徑分析和滲透系數。全砂土的孔隙比為0.862；對于混合砂其中90%的砂和10%的粉砂，孔隙比為0.848；對于混合砂其中80%的砂20%的粉砂，孔隙比為 0.816。而全砂的滲透系數為0.002 098 7 cm/s；對于混合砂，其中90%的砂和10%的粉砂，滲透系數為0.001 745 9 cm/s；對于混合砂，其中80%的砂和20%的粉砂，滲透系數為0.001 400 7 cm/s。

4.1 滲流實驗結果

根據滲流實驗結果，可以確定滲流流量與上游水位的關系。滲流流量隨上游水位的增加而增加。從圖4可以看出，隨著上游水位(H1)的增加，滲流流量(q)有增大的趨勢。當上游坡傾斜程度相同時，混合土壩的滲流流量趨于變小。

圖4 試驗滲流量(q)與上游水位(H1)的關系

采用模擬的方法對下游發生塌方的邊坡進行滲流試驗。對于上游斜率為1∶1的S模型，在H1=100 mm,q=1.100 cm3/s的S-M1-4模型中，由于下游斜坡已經塌陷，故停止施工。對于S90，由于下游邊坡發生滑坡，在S90-M1-4模型中，H1=135 mm，q=1.759 cm3/s處停止。S80在S80-M1-4處停止，q=2.344 cm3/s，H1=218 mm。對于上游坡度為1∶1.5和1∶2的模型，對發生塌方的下游邊坡進行同樣的模擬。

這說明滲流流量除受其組成物質的影響外，還受上游邊坡傾角的影響。在混合物中加入的粉砂越多，q就越小。同樣，坡度越大，大壩下游的流量越小。

4.2 滲流分析的解析法與圖解法(流網法)

利用室內試驗得到的滲透系數，對大壩滲流進行解析/圖解法分析。圖5為滲流流量的解析/圖解法與實驗結果的對比。

圖5 解析/圖解法滲流流量(q)與上游水位(H1)的關系

在圖5(a)中，上游坡梯度1∶1和上游水位(H1)為100 mm的大壩模型, 解析/圖解法中產生的最大q的模型排序為：S-M1(0.016 cm3/s)>S90-M1(0.015 cm3/s)>S80-M1(0.012 cm3/s)。模型S-M1為1.100 cm3/s的實驗得到的q顯著高于解析/圖形法得到的q，模型S90-M1和S80-M1也有同樣的結果。對于上游坡度為1∶1.5和1∶2的壩體模型，見圖5(b)和圖5(c)，趨勢與上游坡度為1∶1的壩體模型相同，且q的實驗結果大于解析/圖解法的結果。

4.3 滲流數值模擬分析

考慮室內試驗得到的土體參數，采用SEEP/W程序進行數值模擬。圖6為SEEP/W分析得到的壩體模型滲流流量(q)。

圖6 數值模擬得到的滲流流量(q)與上游水位(H1)的關系

在圖6(a)中,上游坡度比為1∶1和H1=100 mm的大壩模型，最大q的模型排序為：S-M1(0.022 cm3/s)>S90-M1(0.021 5 cm3/s)>S80-M1(0.021 cm3/s)，實驗得出的q的模型S-M1為1.100 cm3/s，比數值模擬得出的q值要大，模型S90-M1和S80-M1模型得出的結果也相同。對于上游坡度為1∶1.5和1∶2的壩體模型，見圖6(b)和圖6(c)，與上游坡度比為1∶1的壩體模型表現出相同的趨勢。

圖7給出實驗和解析/圖解法以及SEEP/W數值模擬得出的滲流流量(q)和上游水位(H1)的關系。

圖7 各模型滲流流量(q)與上游水位(H1)的關系

分析和實驗的結果表明，q值隨著H1的升高有增大的趨勢。在相同的上游坡度下，加粉砂模型的q值較小，是由于加粉砂導致滲透性較小。壩體上游是斜坡時的滲流q值比上游是陡坡時的滲流q值小。

在解析/圖解法和數值模擬中，均質各向同性條件下，滲流為穩態流。總體而言，數值模擬得到的q值小于解析/圖解法得到的q值。實驗得到的q值比解析/圖解法和數值模擬得到的要大得多，因為在實驗室中很難建立理想的模型(均質、各向同性和穩態流動)。此外，q值差異較大，也是由于地基模型與墻體界面存在明顯滲流，排水、滲水池地基在實驗中無法測量。

4.4 水位波動對大壩安全的影響

4.4.1 水位快速上升的影響

水位快速上升對下游坡面滑坡的發生影響更大。上游水位上升導致上下游水位差異較大，壩體內部滲流壓力較大。這將增加壩體內部的孔隙壓力，降低土體的抗剪強度。由于抗剪強度的下降，上游滑坡在下游趾部出現裂縫，上游水位持續上升。

4.4.2 水位快速下降的影響

土壩在高水位時可能會達到飽和。快速下降導致孔隙中的水變得緩慢，大壩中的土壤仍然充滿水，潮濕導致壓力向下。此外，由于壩體內水位的差異，流向上游的滲流會增大，導致上游的滲流壓力增大。在這種情況下，邊坡的穩定性處于臨界狀態，有發生滑坡的可能性。

5 結 論

試驗結果表明，上游水位高度(H1)對滲流流量(q)的影響大于上游坡面傾角。分析結果顯示，q值與H1值變化趨勢一致。對于上游坡度相同的壩體模型，粉砂混合量較多的壩體模型q值較小，上游坡度較大的壩體模型q值小于坡度較大的壩體模型的q值。總體而言，由于在均質、各向同性和穩態流動條件下建立模型的難度較大，實驗得出的q值比解析/圖解法和數值分析得出的q值要大得多。此外，這也是由于在實驗中未測量到的滲漏通過了模型與排水、滲水池基壁之間的界面。

上游最大滑坡水平發生在H1處且上游坡度較陡(1∶1)的模型中。當上游水位快速上升時，壩體內孔隙水壓力增大，土體剪切阻力減小，下游邊坡可能發生滑坡。當上游水位急劇下降時，孔隙中的水分會緩慢消散，淤泥仍處于濕潤狀態。孔隙水壓力增大，向上游方向的滲透壓力增大。

進一步的研究建議是在壩體內外使用觀測儀器，以獲得更全面的壩體變形行為。土石壩模型與墻的交界區及排水、滲水池底座應加石膏，防止交界區滲水。