非稳定渗流期骤降判别及均质土坝稳定分析

王民侠，张荣斌

1 工程概况

亭口水库位于陕西省咸阳市长武县境内，是以工业和城镇生活供水为主，兼顾防洪和发电等综合利用的水利工程，同时也是解决彬长矿区生产、生活用水的重要水源工程之一。挡水建筑物均质土坝为2级建筑物，坝顶高程896．3 m，水库正常蓄水位893．0 m，最大坝高47．8 m，坝顶宽10 m。根据本工程《水库运用方式及水沙调节计算研究报告》研究成果，该水库入库水沙过程中水少沙多的矛盾十分突出，给水库发挥兴利效益、保持长期有效库容带来了较大的困难，因而确定水沙运行方式为适时迅速降低库水位，水库低水位或空库敞泄排沙的相机排沙方式。当入库水沙不满足相机排沙条件时，水库蓄水运用。为保证排沙效果，水库水位降落很快，日降落幅度达8 m，最大降落幅度达35 m（自正常水位893．0 m降落至最低排沙水位858．0 m），在国内水库中十分罕见。

2 大坝剖面设计

在土坝设计中，稳定计算是确定大坝剖面的重要步骤，而水库水位变化对土坝上游坝坡拟定有着非常密切的关系，水位降落工况通常是拟定上游坝坡时需控制的工况。随着水库水位的降落，土坝坝体土壤孔隙中的水份也将随着水库水位的降落而排出坝体之外。当土壤排水性较差时，坝体内浸润线的降落速度将滞后于坝前水位的降落速度，因此库水位降落后，坝体内仍维持较高的浸润面。这种情况不仅使坝体土料的重度发生变化，而且产生对坝坡稳定不利的非稳定渗流。这种非稳定渗流所产生的渗流力，将使土粒之间的有效应力减小，从而降低土的抗剪强度，危及坝坡的稳定性。水库水位降落速度愈快，坝体内的自由水面位置就越高，坝坡内所产生的非稳定渗流力也愈大，因此对坝坡稳定性的影响也愈大。所以在设计土坝时，非稳定渗流期上游坝坡的拟定取决于坝体的排水性。从保证坝坡稳定性的角度出发，通常将水库水位降落的速度分为“速降”和“缓降”2种情况，前者将危及上游坝坡的稳定性，后者产生的影响则可以忽略不计。

2．1 水位降落速度的判别

2．1．1 根据 k／（μv）判别

施尼特和策列（Schnitter and Zeller，1957年）通过试验后认为［1］，可取相对比值 k／（μv）（其中 k为坝体的渗透系数；μ为坝体土的给水度；v为水库水位降落速度）作为库水位降落快慢的指标来判别坝坡稳定性。当k／（μv）＜1／10时，自由面下降极缓，可按照库水位骤降分析问题，且在计算坝坡稳定时应采用完全饱和土体；当 k／（μv）＞10时，孔隙水和库水位同步下降，随之泄尽，渗流对稳定性没有影响；当1／10＜k／μv＜10时，可按照缓降相关分析。

2．1．2 根据 k／（m2μv）判别

ШecTakoB认为，k／（m2μv）＜1／20时可按骤降考虑问题，m为上游坝坡坡率，本工程为5．25。

2．1．3 根据 k／（nev）判别

根据《土石坝变形与稳定分析》［2］，可以依据k／（nev）判别水位降落速度，式中：ne为有效孔隙率，ne＝αn，n为土壤的孔隙率0．377，α为与土体孔隙率n有关的小于1的系数，根据土壤性质可按表1取用0．1，则 ne＝0．037 7。

当k／（nev）＞250时，属于同步下降，不致于影响到坝坡的稳定性，可以不必考虑；当 k／（nev）≤0．25时，属于骤降，浸润线位置保持降落前不变。

表1 确定有效孔隙率n e的系数α表Table 1 To determine the effective porosity n e of the coefficientα

2．1．4 给水度μ值的合理取用

前2种判别方法，渗流参数取值是否合理，直接关系到计算结果是否合理。渗透系数目前已经可通过完善的方法取得，给水度μ的确定则成为决定渗流自由面下降速度的主要因素。在渗透系数和降落速度一定的前提下，μ愈大自由面下降速度就愈慢，同时对流场内部的水头消散也有影响，更不利于坝坡的稳定性。经大量计算发现，在坝坡稳定计算中，所用μ值如果相差一个数量级，其对应安全系数就相差0．1左右［3］。

对于黏性土μ值的研究，目前暂时还没有比较完善的确定方法，可以用以下2个经验公式进行估算。

式中：k为渗透系数，cm／s（本工程渗透系数小值均值为2×10－6cm／s）；n为孔隙率（本工程 n＝37．7%）。

式中：k为渗透系数，m／d（本工程为0．001 7 m／d）。

除用以上2个公式外，μ值的选取还可以根据渗透系数、黏粒含量、孔隙率查堤防工程设计规范GB 50286－98E．6．1表取用。3种方法计算的给水度μ值列于表2。

表2 给水度μ值计算表Table 2 Storativityμ－value

经过计算验证，对于沙砾土，前2式计算结果很接近；对于黏性土，公式（2）比公式（1）大2个数量级以上。而查表法是根据渗透系数、黏粒含量、孔隙率选取，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 亭口水库水位降落速度判别

当渗透系数 k为0．001 7 m／d时，运用前文2．1．1～2．1．3所述 3种判别方法得到的水位降落速度结果见表3。

表3 亭口水库水位降落速度判别Table 3 Judgement of the lowering rate of the Tingkou Reservoir water level

由上表可知：3种方法的验证结果一致，即亭口水库水位降落速度为骤降，可近似认为自由面没有下降，而用原有稳定自由面作为坝坡稳定分析的最危险水力条件。

对于重要工程，给水度也可以采用筒测法、水量平衡法和抽水试验法等方法确定；但这些方法各有优缺点，而且适用条件不同，计算采用时要认真考虑各种影响因素和资料的可能误差。

2．2 上游坝坡稳定分析

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274－2001［5］，水库水位降落期黏性土应采用三轴仪饱和固结不排水剪总应力指标，本工程ccu＝26 kPa，φcu＝16．5°，采用稳定渗流浸润线作为饱和与非饱和土体分界线，经计算，要满足规范规定安全系数1．35（本工程水位降落属常遇工况，按正常运用条件取安全系数），上游坝坡须做到1∶5～1∶5．5。

2．2．1 计算结果合理性论证

参考已建工程设计经验，上游坝坡在库水位降幅较大或降速过快时，上游坝坡稳定安全系数与稳定渗流期上游坝坡安全系数对照见表4。

表4 稳定渗流及非稳定渗流上游坝坡稳定计算结果对照表Table 4 Comparison of calculated results of upstream dam slope stability under steady and un－steady seepage flows

表4结果说明，在上游水位降幅过大或降速过快的情况下，上游坝坡安全系数会比稳定渗流期降低很多。

3 结论及建议

3．1 水位大幅骤降工况坝型的合理拟定

有很多因素影响着水库水位降落过程中坝坡的稳定，如水库水位降落幅度、土料物理力学性质指标、坝坡的坡率等。为满足骤降期的稳定性要求，均质土坝需要放缓上游坝坡，但是上游坝坡越缓，排水边界条件就越不利，形成的饱和土体范围就越大，将产生危及坝坡更大的渗透水压力。另外，以上的分析也表明，水库在运行期间可能出现较大幅度水位变化或水位快速降落，都很容易引起坝坡失稳。由于分区土坝的坝壳材料透水性好，水位变幅对滑坡稳定的影响相对而言小得多，因此在工程区有透水性较好的筑坝材料时，均质坝不是适合大幅骤降的最优坝型。

3．2 渗流参数的合理取用对坝坡稳定至关重要

非稳定渗流计算中，渗流参数取值是否合理，直接关系到计算结果是否合理，渗透系数和给水度μ的确定就成为决定渗流自由面位置的主要因素。

3．3 骤降后降落速度的加大不会危及坝坡安全

在渗透系数和给水度不变的前提下，当降落速度达到骤降以后，降速的增大不会危及上游坝坡安全。因为骤降即对应了瞬时降落情况，浸润线位置由降前浸润线代替，已为上游坝坡最不利的使用工况。

3．4 稳定计算中采用饱和固结不排水指标的合理性讨论

《土石坝变形与稳定分析》中指出，坝体要达到饱和状态相当困难。因为要用6～12 kgf／cm2（即600～1 200 kPa）的反压力才能使三轴试验的土样在固结后浸水饱和，所以在库水位降落期中采用饱和固结不排水总应力指标计算，过高估计库水位降落期上游坝坡的不稳定性。但是否可以超越现行规范评定水位降落期上游坝坡稳定性或采用其他指标来代替饱和固结不排水总应力指标，有待于相关专家进一步的论证和工程实践。

［1］ 顾慰慈．渗流计算原理及应用［M］．北京：中国建材工业出版社，2000．

［2］ 王复来，陈洪天．土石坝变形与稳定分析［M］．北京：中国水利水电出版社，2008．

［3］ 毛昶熙，段祥宝，李祖贻．渗流数值计算与程序应用［M］．南京：河海大学出版社，1999．

［4］ GB 50283－98，堤防工程设计规范［S］．

［5］ SL 274－2001．碾压式土石坝设计规范［S］．