方致遠 何佳卓 張凱 張凱馨

摘要：混凝土面板堆石壩上游側(cè)常設(shè)置鋪蓋及蓋重區(qū)，特殊情況下該區(qū)產(chǎn)生滑坡將對面板止水結(jié)構(gòu)造成破壞，影響壩體滲透穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。我國西北地區(qū)某混凝土面板堆石壩工程因?qū)Я鞫词鹿识斐蓭焖辉?6h內(nèi)驟降約100m，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結(jié)構(gòu)破損。為此，利用非圓弧滑動計算方法，對該事故進行模擬計算，結(jié)果表明：止水結(jié)構(gòu)的破壞主要是上游鋪蓋與蓋重區(qū)在滲流力作用下產(chǎn)生沿面板表面的滑坡，滑動面上碎石等堆渣材料與止水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生摩擦所致；面板上鋪蓋與蓋重區(qū)滑動范圍在高程638.76～680.98m間，滑坡堆積體以下11m范圍內(nèi)的止水仍存在破壞可能。在除險加固工程中著重對該險情進行處理，采取了對該蓋重區(qū)進行滲流控制以及滲流量監(jiān)測的工程措施，保障該工程安全運行。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩；庫水位驟降；鋪蓋與蓋重區(qū)；杭滑穩(wěn)定

中圖分類號：TV641.4+3 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.024

面板堆石壩對復(fù)雜地形地質(zhì)條件和惡劣氣候均有很強的適應(yīng)性，工程量較小，建設(shè)速度快，因此在國內(nèi)外應(yīng)用較廣[1]。面板堆石壩一般以經(jīng)驗設(shè)計的方法進行建造[2]，在100m以上的高壩中[3-5]，面板上游側(cè)常設(shè)置鋪蓋及蓋重區(qū)[6]。該區(qū)一般由具有一定防滲能力的級配連續(xù)土填筑的鋪蓋和任意料蓋重組成，起到輔助防滲功能。由于設(shè)置目的為防滲，因此其穩(wěn)定性只需滿足一般性要求即可，但若特殊情況下該區(qū)產(chǎn)生滑坡，將會對面板止水結(jié)構(gòu)造成破壞，影響壩體滲透穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。我國西北地區(qū)某混凝土面板堆石壩工程，因?qū)Я鞫词鹿识斐蓭焖辉?6h內(nèi)驟降約100m，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結(jié)構(gòu)破損。本文利用非圓弧滑動計算方法，對該事故進行了模擬，分析了滑坡成因，確定了滑坡造成的止水破壞范圍，以期為指導(dǎo)工程修復(fù)提供參考。

1 計算原理及方法

本次對上游蓋重及鋪蓋料滑坡的計算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所開發(fā)的壩坡抗滑穩(wěn)定分析計算Au-tobank軟件。該軟件遵照現(xiàn)行《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）[7]有關(guān)穩(wěn)定安全計算的若干規(guī)定，提供可用于土石壩、面板堆石壩、堤防、一般土質(zhì)邊坡、尾礦壩穩(wěn)定計算的方法有瑞典圓弧法[8]、簡化畢肖普法[9]、摩根斯頓一普萊斯法[10]等。水位驟降情況下鋪蓋及蓋重料滑動形式為非圓弧滑動，故采用摩根斯頓一普萊斯法，計算公式如下：式中：x為土條寬度；q為坡頂外部的垂直荷載；W為土條質(zhì)量；p（x）為土條底部滑動面上各作用力在滑動面上的合力垂直方向的分量；s（x）為土條滑動面上的合力到土條底部中點的水平距離；a、b分別為整個滑動土體區(qū)域在水平向坐標(biāo)的下限、上限；Me為水平地震慣性力對土條底部中點的力矩；α為條塊底面與水平面的夾角；u為孔隙水壓力；Q、V分別為土條的水平和垂直地震慣性力（向上為負，向下為正）；β為土條側(cè)面的合力與水平方向的夾角；ζ為x方向的微積分替代量；t（二）為垂直于土條推力方向的力臂；he為水平地震慣性力到土條底面中點的垂直距離；c'e、φ'e為采用摩根斯頓一普萊斯法計算的土體抗剪強度指標(biāo)的修正值；K為安全系數(shù)；c'、φ'為有效應(yīng)力強度參數(shù)指標(biāo)。

2 工程實例

2.1 工程概況

我國西北地區(qū)某水電站工程由攔河壩、導(dǎo)流洞、深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)以及電站廠房等組成。攔河壩采用混凝土面板堆石壩，為1級建筑物。壩頂高程756.3m，壩頂寬度為8.0m，壩長446.0m，最大壩高140.3m。上游壩坡坡比為1：1.5，下游壩坡上壩公路間坡比為1：1.3，最大斷面下游平均坡比約為1：1.7。面板頂部厚0.3m，底部最大厚度為0.75m，河床部位面板寬12m，岸坡部位寬6m。面板下部采用平趾板，趾板建在弱風(fēng)化基巖上。周邊縫設(shè)三道止水，依次為GB填料、GB止水條、止水銅片；面板張性縫設(shè)置橡膠、銅片兩道止水；面板壓性縫設(shè)一道銅片止水。

混凝土面板堆石壩壩料從上游至下游分為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、堆石料區(qū)。該電站水庫下閘蓄水初期，當(dāng)庫水位上升至737.00m時，導(dǎo)流洞封堵閘門失控，庫水下泄，泄水流量達1094m3/s，庫水位在56h內(nèi)驟降約100m，導(dǎo)致壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌。

2.2 上游鋪蓋與蓋重區(qū)滑坡情況

上游鋪蓋與蓋重區(qū)頂高程為695.00m，頂寬11.0m。內(nèi)層為頂寬3.0m、上游坡比為1：1.5的鋪蓋料，作用是形成面板上游的防滲補強區(qū)，并與特殊墊層區(qū)聯(lián)合淤堵開裂周邊縫、實現(xiàn)自愈功能。上游蓋重區(qū)位于上游鋪蓋區(qū)外側(cè)，頂寬8.0m，上游坡比為1：1.8，作用是穩(wěn)定上游鋪蓋區(qū)邊坡，主要是將開挖棄渣等任意粗粒料利用運輸和推平設(shè)備自然壓實，不進行專門碾壓。面板分縫布置見圖1。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，面板上游側(cè)鋪蓋及蓋重區(qū)滑塌對面板河床段止水造成損壞，統(tǒng)計如下：①21、22號面板間表層止水蓋板破壞長度約1.0m；②22、23號面板間表層止水蓋板破壞長度約30cm；03 23、24號面板間表層止水蓋板破壞長度約20cm；④25、26號面板間表層止水蓋板撕裂小口長度約15cm；（5）27，28號面板間表層止水?dāng)D壓變窄、扁鋼脫落，長度約6.0m；⑥28、29號面板間表層止水高程695.00m以下存在5處蓋板撕裂小口；⑦31、32號面板間表層止水?dāng)D壓變窄、蓋板撕裂，長度約5.0m；⑧32、33號面板間表層止水蓋板撕裂、變窄，局部壓平，長度共計約20.0m；⑨33、34號面板間表層止水蓋板撕裂、擠壓變窄，長度約12.0m；⑩34、35號面板間表層止水蓋板撕裂、擠壓變窄；11左岸周邊縫沿趾板方向接頭脫落，B型縫接頭變窄。

3 計算方案

3.1 計算參數(shù)

面板上游側(cè)鋪蓋土料采用C2料場表層土，為洪積黃土狀低液限粉土，中等壓縮性，在鋪筑過程中未進行專門碾壓，只利用鋪筑設(shè)備自重進行壓實。根據(jù)現(xiàn)場施工過程照片判斷，土料抗剪強度不會太高，參照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）附錄D穩(wěn)定分析中對庫水位降落期抗剪強度取值的說明，庫水位降落期抗剪強度應(yīng)采用若干組試驗成果中的下包線，本次計算所用鋪蓋土料抗剪強度參數(shù)為水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院（下文簡稱新疆院）提供的C2料場土料物理力學(xué)性質(zhì)試驗中C2-TJ4-1試樣試驗結(jié)果（見表1）。C2-TJ4-1試樣取自C2料場表層土，具有代表性，同時該試樣飽和含水狀態(tài)下黏聚力是所有試驗中最低的，滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）對水位驟降工況下土料抗剪強度選取的要求。

面板上游側(cè)蓋重料主要由堆石開挖棄渣等任意料填筑，其在鋪筑過程中亦未進行專門碾壓，抗剪強度亦不會太高。蓋重區(qū)抗剪強度參數(shù)與鋪蓋料抗剪強度指標(biāo)選取原則一致，參考C2-TK11試樣試驗結(jié)果（見表2），取樣深度為1.8～3.2m，其力學(xué)試驗控制密度為密實狀態(tài)下的密度，但填筑過程中未進行專門碾壓，故蓋重料最終計算采用的抗剪強度指標(biāo)為在新疆院提供的砂礫料飽和抗剪強度指標(biāo)基礎(chǔ)上根據(jù)天然狀態(tài)干密度與緊密狀態(tài)干密度比值換算得來的值。

鋪蓋土料與面板間抗剪強度指標(biāo)參考《擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL379-2007）中關(guān)于擋土墻基礎(chǔ)與黏性土地基間黏聚力C0和內(nèi)摩擦角φ0的說明選?。?/p>

φ0=0.9φ（9）

C0=（0.20～0.30）C（10）式中：φ為鋪蓋土料室內(nèi)飽和固結(jié)快剪試驗測得的內(nèi)摩擦角，（°）；C為鋪蓋土料室內(nèi)飽和固結(jié)快剪試驗測得的黏聚力，kPa。

綜上分析，面板上游側(cè)鋪蓋與蓋重區(qū)土料分區(qū)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3。

3.2 計算工況及斷面

根據(jù)庫水位驟降實際情況，計算工況取庫水位由737.00m驟降至637.00m，時間為56h。根據(jù)鋪蓋分布情況選取了樁號0+261.00（河床段）斷面、0+159.69（左岸）斷面和0+330.42（右岸）斷面進行面板上游側(cè)鋪蓋滑坡計算分析。

4 計算結(jié)果分析

表4為各計算斷面滑弧情況統(tǒng)計，圖2～圖4分別為0+261.00（河床段）斷面、0+159.69（左岸）斷面和0+330.42（右岸）斷面滑坡情況。

從圖2可以看出，庫水位降落過快，上游蓋重與鋪蓋區(qū)內(nèi)浸潤線無法及時隨水位降低而降低，尤其是主要成分為亞黏土的鋪蓋區(qū)仍處于飽和狀態(tài)，在滲流力的作用下，滑弧安全系數(shù)為0.875，該滑弧內(nèi)土體必然滑動。高程638.76～680.98m間滑弧內(nèi)土體沿著面板與鋪蓋區(qū)接觸面滑動，造成該區(qū)域內(nèi)面板止水發(fā)生一定程度的破壞。高程680.98m至鋪蓋頂面間滑弧在蓋重與鋪蓋區(qū)內(nèi)穿過，該段滑弧長約14m，在現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，面板上游側(cè)鋪蓋及蓋重區(qū)土體發(fā)生滑塌，上游側(cè)鋪蓋頂以下10～15m范圍內(nèi)仍覆蓋有鋪蓋土料，說明滑弧起始自鋪蓋土內(nèi)，然后沿著面板滑動。高程638.76m以下滑弧亦從鋪蓋土體內(nèi)經(jīng)過。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)最終鋪蓋頂面高程約為650.00m，是上部滑坡體在壩腳處形成堆積體造成的，滑弧位置表明河床段638.76m高程以下因為基本未受滑坡擾動，所以面板止水破壞可能性較小。638.76～650.00m高程段止水仍然存在發(fā)生較大破壞的可能性，但當(dāng)前壩前鋪蓋已回填，且已初步蓄水，建議運行中加強滲流量監(jiān)測。

從圖3可以看出，該斷面滑弧分布情況與0+261.00斷面類似，自鋪蓋及蓋重區(qū)頂高程以下約8.0m范圍內(nèi)滑弧穿過蓋重區(qū)。高程664.55～686.71m范圍內(nèi)滑弧自面板與鋪蓋土料接觸面經(jīng)過，對該段面板止水造成一定程度的破壞。高程664.55m以下滑弧仍自鋪蓋及蓋重區(qū)內(nèi)經(jīng)過，該高程以下面板止水受擾動較小，破壞可能性較小。

從圖4可以看出，0+330.42斷面上滑弧仍然自鋪蓋與蓋重區(qū)經(jīng)過，中間區(qū)段自鋪蓋土料與面板接觸面經(jīng)過。該斷面鋪蓋及蓋重料填筑范圍為高程677.20-695.00m，范圍相對較小，因此經(jīng)面板的滑弧長度較小。

5 結(jié)語

利用非圓弧滑動計算方法，對我國西北地區(qū)某混凝土面板堆石壩工程因?qū)Я鞫词鹿识斐蓭焖辉?6h內(nèi)驟降約100m，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結(jié)構(gòu)破損事故進行了模擬，分析了滑坡成因，確定了滑坡造成的止水破壞范圍，得出如下結(jié)論。

（1）庫水位在56h內(nèi)驟降約100m過程中，壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌，部分面板止水結(jié)構(gòu)破損。其原因是上游鋪蓋與蓋重區(qū)在滲流力作用下產(chǎn)生沿面板表面的滑坡，滑動面上碎石等堆渣材料與止水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生摩擦對其造成破壞。

（2）在庫水位驟降工況下，面板上鋪蓋與蓋重區(qū)滑動范圍在高程638.76～680.98m間，滑坡堆積體以下11m范圍內(nèi)的止水仍存在破壞可能。建議運行過程中加強滲流量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

（3）該水庫于2016年下半年進行除險加固：①對上游鋪蓋與蓋重區(qū)面板止水結(jié)構(gòu)進行修復(fù)；②對上游庫水位變化區(qū)面板進行錨固處理；③在上游處設(shè)置排水帷幕；④對關(guān)鍵部位加強滲流量監(jiān)測。該工程除險加固后運行至今，運行表現(xiàn)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明上述處理措施合理，能達到預(yù)期效果。

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