王民俠，張榮斌

1 工程概況

亭口水庫位于陜西省咸陽市長武縣境內(nèi)，是以工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水為主，兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用的水利工程，同時(shí)也是解決彬長礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水的重要水源工程之一。擋水建筑物均質(zhì)土壩為2級建筑物，壩頂高程896．3 m，水庫正常蓄水位893．0 m，最大壩高47．8 m，壩頂寬10 m。根據(jù)本工程《水庫運(yùn)用方式及水沙調(diào)節(jié)計(jì)算研究報(bào)告》研究成果，該水庫入庫水沙過程中水少沙多的矛盾十分突出，給水庫發(fā)揮興利效益、保持長期有效庫容帶來了較大的困難，因而確定水沙運(yùn)行方式為適時(shí)迅速降低庫水位，水庫低水位或空庫敞泄排沙的相機(jī)排沙方式。當(dāng)入庫水沙不滿足相機(jī)排沙條件時(shí)，水庫蓄水運(yùn)用。為保證排沙效果，水庫水位降落很快，日降落幅度達(dá)8 m，最大降落幅度達(dá)35 m（自正常水位893．0 m降落至最低排沙水位858．0 m），在國內(nèi)水庫中十分罕見。

2 大壩剖面設(shè)計(jì)

在土壩設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定計(jì)算是確定大壩剖面的重要步驟，而水庫水位變化對土壩上游壩坡擬定有著非常密切的關(guān)系，水位降落工況通常是擬定上游壩坡時(shí)需控制的工況。隨著水庫水位的降落，土壩壩體土壤孔隙中的水份也將隨著水庫水位的降落而排出壩體之外。當(dāng)土壤排水性較差時(shí)，壩體內(nèi)浸潤線的降落速度將滯后于壩前水位的降落速度，因此庫水位降落后，壩體內(nèi)仍維持較高的浸潤面。這種情況不僅使壩體土料的重度發(fā)生變化，而且產(chǎn)生對壩坡穩(wěn)定不利的非穩(wěn)定滲流。這種非穩(wěn)定滲流所產(chǎn)生的滲流力，將使土粒之間的有效應(yīng)力減小，從而降低土的抗剪強(qiáng)度，危及壩坡的穩(wěn)定性。水庫水位降落速度愈快，壩體內(nèi)的自由水面位置就越高，壩坡內(nèi)所產(chǎn)生的非穩(wěn)定滲流力也愈大，因此對壩坡穩(wěn)定性的影響也愈大。所以在設(shè)計(jì)土壩時(shí)，非穩(wěn)定滲流期上游壩坡的擬定取決于壩體的排水性。從保證壩坡穩(wěn)定性的角度出發(fā)，通常將水庫水位降落的速度分為“速降”和“緩降”2種情況，前者將危及上游壩坡的穩(wěn)定性，后者產(chǎn)生的影響則可以忽略不計(jì)。

2．1 水位降落速度的判別

2．1．1 根據(jù) k／（μv）判別

施尼特和策列（Schnitter and Zeller，1957年）通過試驗(yàn)后認(rèn)為［1］，可取相對比值 k／（μv）（其中 k為壩體的滲透系數(shù)；μ為壩體土的給水度；v為水庫水位降落速度）作為庫水位降落快慢的指標(biāo)來判別壩坡穩(wěn)定性。當(dāng)k／（μv）＜1／10時(shí)，自由面下降極緩，可按照庫水位驟降分析問題，且在計(jì)算壩坡穩(wěn)定時(shí)應(yīng)采用完全飽和土體；當(dāng) k／（μv）＞10時(shí)，孔隙水和庫水位同步下降，隨之泄盡，滲流對穩(wěn)定性沒有影響；當(dāng)1／10＜k／μv＜10時(shí)，可按照緩降相關(guān)分析。

2．1．2 根據(jù) k／（m2μv）判別

ШecTakoB認(rèn)為，k／（m2μv）＜1／20時(shí)可按驟降考慮問題，m為上游壩坡坡率，本工程為5．25。

2．1．3 根據(jù) k／（nev）判別

根據(jù)《土石壩變形與穩(wěn)定分析》［2］，可以依據(jù)k／（nev）判別水位降落速度，式中：ne為有效孔隙率，ne＝αn，n為土壤的孔隙率0．377，α為與土體孔隙率n有關(guān)的小于1的系數(shù)，根據(jù)土壤性質(zhì)可按表1取用0．1，則 ne＝0．037 7。

當(dāng)k／（nev）＞250時(shí)，屬于同步下降，不致于影響到壩坡的穩(wěn)定性，可以不必考慮；當(dāng) k／（nev）≤0．25時(shí)，屬于驟降，浸潤線位置保持降落前不變。

表1 確定有效孔隙率n e的系數(shù)α表Table 1 To determine the effective porosity n e of the coefficientα

2．1．4 給水度μ值的合理取用

前2種判別方法，滲流參數(shù)取值是否合理，直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否合理。滲透系數(shù)目前已經(jīng)可通過完善的方法取得，給水度μ的確定則成為決定滲流自由面下降速度的主要因素。在滲透系數(shù)和降落速度一定的前提下，μ愈大自由面下降速度就愈慢，同時(shí)對流場內(nèi)部的水頭消散也有影響，更不利于壩坡的穩(wěn)定性。經(jīng)大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在壩坡穩(wěn)定計(jì)算中，所用μ值如果相差一個(gè)數(shù)量級，其對應(yīng)安全系數(shù)就相差0．1左右［3］。

對于黏性土μ值的研究，目前暫時(shí)還沒有比較完善的確定方法，可以用以下2個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

式中：k為滲透系數(shù)，cm／s（本工程滲透系數(shù)小值均值為2×10－6cm／s）；n為孔隙率（本工程 n＝37．7%）。

式中：k為滲透系數(shù)，m／d（本工程為0．001 7 m／d）。

除用以上2個(gè)公式外，μ值的選取還可以根據(jù)滲透系數(shù)、黏粒含量、孔隙率查堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50286－98E．6．1表取用。3種方法計(jì)算的給水度μ值列于表2。

表2 給水度μ值計(jì)算表Table 2 Storativityμ－value

經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證，對于沙礫土，前2式計(jì)算結(jié)果很接近；對于黏性土，公式（2）比公式（1）大2個(gè)數(shù)量級以上。而查表法是根據(jù)滲透系數(shù)、黏粒含量、孔隙率選取，相比之下查表法取值比公式法要可靠一些，故本工程μ值按0．002 2取用。

2．1．5 亭口水庫水位降落速度判別

當(dāng)滲透系數(shù) k為0．001 7 m／d時(shí)，運(yùn)用前文2．1．1～2．1．3所述 3種判別方法得到的水位降落速度結(jié)果見表3。

表3 亭口水庫水位降落速度判別Table 3 Judgement of the lowering rate of the Tingkou Reservoir water level

由上表可知：3種方法的驗(yàn)證結(jié)果一致，即亭口水庫水位降落速度為驟降，可近似認(rèn)為自由面沒有下降，而用原有穩(wěn)定自由面作為壩坡穩(wěn)定分析的最危險(xiǎn)水力條件。

對于重要工程，給水度也可以采用筒測法、水量平衡法和抽水試驗(yàn)法等方法確定；但這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且適用條件不同，計(jì)算采用時(shí)要認(rèn)真考慮各種影響因素和資料的可能誤差。

2．2 上游壩坡穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274－2001［5］，水庫水位降落期黏性土應(yīng)采用三軸儀飽和固結(jié)不排水剪總應(yīng)力指標(biāo)，本工程ccu＝26 kPa，φcu＝16．5°，采用穩(wěn)定滲流浸潤線作為飽和與非飽和土體分界線，經(jīng)計(jì)算，要滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)1．35（本工程水位降落屬常遇工況，按正常運(yùn)用條件取安全系數(shù)），上游壩坡須做到1∶5～1∶5．5。

2．2．1 計(jì)算結(jié)果合理性論證

參考已建工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，上游壩坡在庫水位降幅較大或降速過快時(shí)，上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)與穩(wěn)定滲流期上游壩坡安全系數(shù)對照見表4。

表4 穩(wěn)定滲流及非穩(wěn)定滲流上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果對照表Table 4 Comparison of calculated results of upstream dam slope stability under steady and un－steady seepage flows

表4結(jié)果說明，在上游水位降幅過大或降速過快的情況下，上游壩坡安全系數(shù)會比穩(wěn)定滲流期降低很多。

3 結(jié)論及建議

3．1 水位大幅驟降工況壩型的合理擬定

有很多因素影響著水庫水位降落過程中壩坡的穩(wěn)定，如水庫水位降落幅度、土料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、壩坡的坡率等。為滿足驟降期的穩(wěn)定性要求，均質(zhì)土壩需要放緩上游壩坡，但是上游壩坡越緩，排水邊界條件就越不利，形成的飽和土體范圍就越大，將產(chǎn)生危及壩坡更大的滲透水壓力。另外，以上的分析也表明，水庫在運(yùn)行期間可能出現(xiàn)較大幅度水位變化或水位快速降落，都很容易引起壩坡失穩(wěn)。由于分區(qū)土壩的壩殼材料透水性好，水位變幅對滑坡穩(wěn)定的影響相對而言小得多，因此在工程區(qū)有透水性較好的筑壩材料時(shí)，均質(zhì)壩不是適合大幅驟降的最優(yōu)壩型。

3．2 滲流參數(shù)的合理取用對壩坡穩(wěn)定至關(guān)重要

非穩(wěn)定滲流計(jì)算中，滲流參數(shù)取值是否合理，直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否合理，滲透系數(shù)和給水度μ的確定就成為決定滲流自由面位置的主要因素。

3．3 驟降后降落速度的加大不會危及壩坡安全

在滲透系數(shù)和給水度不變的前提下，當(dāng)降落速度達(dá)到驟降以后，降速的增大不會危及上游壩坡安全。因?yàn)轶E降即對應(yīng)了瞬時(shí)降落情況，浸潤線位置由降前浸潤線代替，已為上游壩坡最不利的使用工況。

3．4 穩(wěn)定計(jì)算中采用飽和固結(jié)不排水指標(biāo)的合理性討論

《土石壩變形與穩(wěn)定分析》中指出，壩體要達(dá)到飽和狀態(tài)相當(dāng)困難。因?yàn)橐?～12 kgf／cm2（即600～1 200 kPa）的反壓力才能使三軸試驗(yàn)的土樣在固結(jié)后浸水飽和，所以在庫水位降落期中采用飽和固結(jié)不排水總應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算，過高估計(jì)庫水位降落期上游壩坡的不穩(wěn)定性。但是否可以超越現(xiàn)行規(guī)范評定水位降落期上游壩坡穩(wěn)定性或采用其他指標(biāo)來代替飽和固結(jié)不排水總應(yīng)力指標(biāo)，有待于相關(guān)專家進(jìn)一步的論證和工程實(shí)踐。

［1］ 顧慰慈．滲流計(jì)算原理及應(yīng)用［M］．北京：中國建材工業(yè)出版社，2000．

［2］ 王復(fù)來，陳洪天．土石壩變形與穩(wěn)定分析［M］．北京：中國水利水電出版社，2008．

［3］ 毛昶熙，段祥寶，李祖貽．滲流數(shù)值計(jì)算與程序應(yīng)用［M］．南京：河海大學(xué)出版社，1999．

［4］ GB 50283－98，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［5］ SL 274－2001．碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．