考慮滲流及降雨影響的石棚水庫大壩穩定性分析

摘 要：本研究以石棚水庫大壩為研究對象，采用數值模擬的方式，分析了該水庫大壩在不同庫區水位及降雨強度下的滲流特性及穩定性變化情況，庫區蓄水過程對壩體穩定性負面影響顯著，壩體安全系數最大降幅達到52.2%，且內部徑流效應明顯；在極端暴雨工況下，降雨時長超過9.5h，壩體存在滑塌風險。本研究所得結論可為該水庫的日常運行管理提供相關參考。

關鍵詞：水庫大壩；庫區水位；降雨；滲流穩定

中圖分類號：TV 69" 文獻標志碼：A

土壩具有造價低、施工便捷等優點，其廣泛應用于水利行業中，但是會出現滲漏等工程問題。土壩工程問題約占全球潰壩問題總數的70%[1]，而滲流破壞導致壩體外側邊坡失穩是土壩災害事故的主要原因。因此，在水庫運營期間對土壩進行滲流穩定分析，并據此采取防控措施是有必要的。

見立紅[2]對唐山陡河水庫大壩的主壩和副壩進行了滲流穩定分析，表明主壩存在壩基、繞壩及局部壩體滲漏問題，副壩局部滲流不利于壩坡穩定。高瑞[3]對五曲灣水庫進行了滲流安全分析，發現壩體、壩基滲透坡降均小于允許滲透比降，穩定滲流期與水位降落期壩坡最小安全系數均大于允許值，滿足規范要求。除此以外，鄧烈等[4]、邢健等[5]都對某一水庫土壩進行了滲流穩定分析，發現土壩存在滲水點，并提出相應的防滲加固措施。現有研究集中于水庫壩體應急排險上，在發現隱患后分析原因并對壩體進行加固，若能在服役期對壩體進行隱患預測，則可提高壩體服役年限。

本研究通過geo-studio軟件對石棚水庫大壩不同水位高度及不同降雨強度下的壩體進行滲流穩定分析，以期為該水庫的日常運營提供相關工程建議。

1 工程概況

石棚水庫總庫容1138萬m3，興利庫容840萬m3，死庫容15萬m3。防洪標準為100年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核。水庫大壩為二類壩，其中主壩為均質土壩，壩高33.66m，最大壩高15.2m，壩軸線長度527m。

2 穩定性分析方法、模型和參數

2.1 分析方法

采用geo-studio軟件中的slope/w及seep/w模塊分析不同庫區水位及降雨強度下的壩體穩定性。穩定性分析采用Morgenstern-Price法，該方法考慮了土條條間剪力和法向力，且同時滿足力矩平衡和力平衡，可在分析中自動搜索滑裂面。其中力矩和力平衡安全系數的計算過程如公式（1）、公式（2）所示[6]。

（1）

（2）

式中：β、R、x、f、d為幾何參數；c'為有效聚力；φ'為有效摩擦角；μ為孔隙水壓力；N為條塊底部法向力；W為條塊質量；D為線荷載；α為土體底部傾斜角。

根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864—2016）[7]，穩定性分級標準見表1。

2.2 分析模型及參數取值

采用geo-studio軟件中的slope/w及seep/w模塊，根據實際工程概況建立不同水位及降雨條件下的非飽和滲流耦合穩定性計算模型。當軟件參數取值時，由室內試驗測試得到土體強度參數，取值結果見表2。根據軟件內置的土體粒徑及分類數據庫，結合seep/w中V-G模型擬合得到土體的土水特征曲線及滲透系數曲線，如圖1所示。此外，在分析降雨對壩體穩定性影響的過程中，設定邊界條件時，若降雨強度小于筑壩土體的入滲能力，則按照流量邊界對壩體表部進行賦值，其中流量大小等于降雨強度；若降雨強度大于筑壩土體的入滲能力，則按照定水頭邊界對壩體外側邊坡進行賦值，其中水頭值等于其地面高程。

2.3 計算工況

當分析不同水位高度對壩體影響時將水位高度設置為0m、4m、8m、12m、16m、20m、24m、28m，分析過程中不考慮降雨作用。在分析降雨對壩體穩定性的影響過程中，根據氣象學中降雨等級的劃分標準，本文設置了大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨4種工況，降雨量分別為35mm、75mm、150mm、200mm，降雨時長均設置為24h，庫區水位設置成26.5m。所有工況見表3。

3 結果分析

3.1 不同水位高度

庫區水位影響下的壩體內部滲流路徑及不同水位高度下的壩體穩定性分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看到，在庫區水位的影響下，壩體內部地下水的滲流路徑分布均勻，這主要是因為壩體結構性完整，且為均質土壩，表層填筑土體與深層填筑土體滲透性較一致，因此滲徑分布均勻。從圖3可以看到，隨著庫區水位上升，壩體穩定安全系數呈現下降趨勢。這是當庫區水位增加時，水庫土壩受水浸潤區域變大，水位線提高，庫區中的水通過土中孔隙深入土中，土壩填筑土體由不飽和狀態向飽和狀態轉變，而飽和區域的土體因為水的浮力作用，減少了自身的有效重力，即飽和區域的填筑土體有效應力降低。填筑土體的有效應力降低將會導致土體強度下降，壩體安全系數也出現下降趨勢。實際上，風的作用和庫內水的流動作用會對土壩產生波浪打擊作用和沖刷作用。當庫區水位升高時，庫內水域面積和水量會大幅提升，波浪打擊作用和沖刷作用也會相應加強，土壩坡腳在這兩種作用下可能會出現剪切滑動面失穩，最終土壩失去坡底的支撐而發生崩塌和滑坡現象。在庫區水位從0m升至28m的過程中，壩體安全系數降低約52.2%，此時壩體安全系數降至1.150以下，但仍大于1.000，其穩定狀態介于穩定及基本穩定之間。以《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864—2016）[7]中規定的1.150為界限，對不同庫區水位作用下壩體安全系數曲線進行劃分，可以看到壩體所對應的庫區警戒水位約為24.8m，若水位進一步上漲，則壩體穩定性等級將下降，壩體外側邊坡將存在小型滑塌隱患。

綜上所述，庫區水位產生的滲流對壩體穩定性的影響較大，在壩體服役階段，須實時監測庫區水位高度，當水位達到警戒值時應采取相關防控措施，例如監測壩體外側邊坡水平位移及土體內部的孔壓分布趨勢等，根據監測數據進一步判斷壩體外側是否存在小型滑塌隱患。若水位進一步上漲，則須采取可靠的降水排水措施，例如在壩體內部打設抽排豎井、防滲帷幕等，以減少滲流對壩體穩定性的影響。

3.2 不同降雨強度

不同降雨強度下的壩體穩定性如圖4所示。從圖中可以發現，在相同降雨時長的情況下，土壩穩定安全系數隨降雨強度增加而減少。例如，當降雨時長為4h時，大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨下的土壩穩定安全系數分別為1.19、1.16、1.13和1.09。降雨強度對土壩穩定性的影響主要體現在以下2個方面。1）當降雨強度小于土壩填筑土體的滲透系數時，所有的降雨量幾乎能全部入滲到填筑土體中，而雨水入滲會導致土壩淺層填筑土體從不飽和狀態逐漸進入飽和狀態，并不斷向土壩深層填筑土體延伸，這將造成暫態飽和土填筑土體的抗剪強度弱化，與此同時雨水入滲也會導致土壩填筑土體自重增加，使土壩坡體下滑力變大，使土壩穩定性降低。2）當降雨強度大于土壩填筑土體的滲透系數時，部分降雨量入滲到填筑土體中，另外一部分則形成坡面徑流而流走，而坡面徑流會對土壩壩體坡面造成沖刷破壞，從而降低土壩穩定性。從圖中還可以發現，在相同的降雨強度下，土壩穩定安全系數隨降雨時長增加而減少。例如，在大雨工況下，當降雨時長分別為6h、12h、18h、24h時，土壩穩定安全系數分別為1.18、1.17、1.16和1.15。降雨時長對土壩穩定性的影響主要體現在以下方面：隨著降雨時長增加，通過壩體坡面入滲的雨水量逐漸增加，一方面填筑土體的自重不斷增加，使土壩壩體下滑力變大，另外一方面填筑土體中的飽和區域也不斷增加，土壩壩體抗剪強度不斷下降，在兩者作用下，土壩壩體的穩定安全系數逐漸降低。與降雨時長相比，降雨強度可能對壩體穩定安全系數的影響較大。例如，當降雨時長4h時，與大雨工況相比，暴雨工況土壩穩定安全系數的降低幅度為0.03；與暴雨工況相比，大暴雨工況土壩穩定安全系數的降低幅度為0.03；與大暴雨工況相比，特大暴雨工況土壩穩定安全系數的降低幅度為0.04。

在大雨工況下，與降雨時長6h的情況相比，降雨時長12h的土壩穩定安全系數的降幅和與降雨時長12h的情況相比，降雨時長18h的土壩穩定安全系數的降幅以及與降雨時長18h相比，降雨時長24h的土壩穩定安全系數的降低幅度均約為0.01。

根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864—2016）[7]中穩定性分級標準，當降雨強度為大雨時，24h降雨結束后坡體安全系數仍大于1.15，處于穩定狀態；當降雨強度為暴雨時，降雨約6.5h后坡體安全系數約降至1.15，因此在24h持續暴雨下，斜坡體在0h～6.5h內處于穩定狀態，在6.5h～24h內處于基本穩定狀態；當降雨強度為大暴雨時，降雨約1.8h后坡體安全系數降至約1.15，降雨約18.5h后坡體安全系數降至約1.05，因此在24h持續大暴雨下，斜坡體在0h～1.8h內處于穩定狀態，在1.8h～18.5h內處于基本穩定狀態，在18.5h～24h內處于欠穩定狀態；當降雨強度為特大暴雨時，降雨約0.6h后坡體安全系數降至約1.15，降雨約9.5h后安全系數降至約1.05，降雨約19h后安全系數降至約1，因此在24h持續特大暴雨下，斜坡體在0h～0.6h內處于穩定狀態，在0.6h～9.5h內處于基本穩定狀態，在9.5h～19h內處于欠穩定狀態，在19h～24h內處于不穩定狀態。

綜上所述，降雨產生的雨水入滲會導致壩體穩定性顯著降低，在壩體服役階段須考慮降雨可能帶來的不利影響，實時監測壩體周圍的累計降雨量及降雨強度，尤其是當降雨強度達到大暴雨及特大暴雨級別時，為了避免該級別下的降雨持續時間過長對壩體帶來的負面影響，應提前在壩體上設置雨水截洪溝、導排明溝等排水設施，以減少雨水入滲對壩體穩定性的影響。

4 結論

本研究以石棚水庫大壩為研究對象，對不同庫區水位高度及不同降雨強度下的壩體穩定性進行了分析，得出以下結論。1）在庫區水位影響下，壩體內部滲流路徑分布均勻，在庫區從0m蓄水至28m的過程中，壩體安全系數降低約52.2%，當庫區水位超過24.8m時，須實時監測壩體外側邊坡水平位移及土體內部的孔壓分布趨勢，避免產生滑塌隱患；若水位持續上漲，則應采取必要的降水排水措施，例如在壩體內部打設抽排豎井、防滲帷幕等，以減少滲流對壩體穩定性的影響。2）當降雨等級為大暴雨，降雨時長達到 9.5h，或降雨等級為特大暴雨，降雨時長為 19h 時，壩體處于欠穩定狀態，為防止雨水持續入滲對壩體造成損害，應提前在壩體上設置雨水截洪溝、導排明溝等排水設施，以減少雨水入滲對壩體穩定性的影響。

參考文獻

[1]陸慶芳，陸華坤. 考慮滲流影響的水庫大壩邊坡穩定性研究[J]. 科技資訊，2023，21（11）：107-110.

[2]見立紅. 河北唐山陡河水庫大壩滲流穩定性分析[J]. 水利科學與寒區工程，2023，6（9）：48-50.

[3]高瑞. 基于Autobank水庫大壩滲流及穩定分析[J]. 吉林水利，2023（5）：7-11.

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[6]鄒廣電，魏汝龍. 土坡穩定分析普遍極限平衡法數值解的理論及方法研究[J]. 巖石力學與工程學報，2004，25（2）：363?363.

[7]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 滑坡防治工程勘查規范：GB/T 32864—2016[S]. 北京：中國標準出版社，2016：14.