不同水位条件下黏土斜心墙坝渗流与稳定性分析

郝丽娟，赵立庭，杜云龙，李维朝（.北京市京密引水管理处，北京0400；.中国水利水电科学研究院，北京00048）

不同水位条件下黏土斜心墙坝渗流与稳定性分析

郝丽娟1，赵立庭1，杜云龙1，李维朝2
（1.北京市京密引水管理处，北京101400；2.中国水利水电科学研究院，北京100048）

水库大坝失事统计中，渗透破坏和坝坡失稳是最常见的2项诱因，并且渗流与稳定也是水库大坝安全评价和日常运行管理中的2项主要内容。论文以怀柔水库主坝为例，对运行水位条件下的监测变形进行了分析；通过对当前蓄水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位4种水位条件下的稳定渗流计算，分析了浸润线位置、单宽渗流量、平均水力比降等随水位条件的变化；在稳定渗流计算出的浸润线的基础上，基于极限平衡法计算了当前蓄水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位4种水位条件下的坝坡稳定性，分析了上下游坝坡安全系数及滑弧位置等随水位条件的变化。本研究不仅对怀柔水库安全评价中的渗透稳定评价和结构稳定评价奠定了基础，还可以从管理的角度掌握大坝的运行性态，从不同水位条件下的渗流出口、滑面位置等角度出发，为日常管理中确定重点监测位置及现场巡视重点部位提供帮助，并为相近条件下的土石坝安全评价分析提供借鉴。

渗透破坏；坝坡失稳；安全评价

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.029

1 引言

水库在我国防洪、灌溉、发电、旅游等水利方面发挥了重要的作用，但一旦溃决往往会造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。全国已溃坝中土坝所占比例超过90%，其中0.31%为黏土斜墙坝。水库溃坝的原因主要为漫顶，其次为渗透破坏和坝坡失稳[1,2]。

水库大坝安全评价可有效诊断水库大坝安全状态，为后续大坝的运行管理提供支持，是预防水库大坝溃决的有效方式[3,4]。为加强国内水库大坝安全管理，水利部于2000年发布了《水库大坝安全评价导则》（SL258—2000），规定一般每5年、最多不超过10年、特殊情况进行特种检查的要求，对水利大坝和水电站大坝开展安全评价[5]。在《水库大坝安全评价导则》（SL258—2000）中，大坝渗流安全以及大坝结构稳定是安全评价中的2项重要内容[5]。在水库日常运行管理中，渗流安全和稳定性也是2项重要关注点。

本文以怀柔水库主坝为例，以现有监测资料为出发点，在渗流有限元计算分析和基于条分法极限平衡分析的基础上，分析了不同水位条件下黏土斜墙坝渗流与稳定性态变化。本研究不仅对怀柔水库安全评价中的渗透稳定评价和结构稳定评价奠定基础，为后续水库运行管理中的日常巡视和应急管理给予帮助，也为相近条件下的土石坝安全评价分析提供借鉴。

2 工程概况

怀柔水库兴建于1958年，位于北京市怀柔区西南、潮白河支流怀河山峡出口处，为一座防洪、供水和调节的综合利用大（2）型水库。水库总库容1.44×108m3，主要建筑物有主坝、4座副坝、东溢洪道、西溢洪道、峰山口输水闸、峰山口防洪闸等。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)和《防洪标准》（GB50201—2014），工程等级属于II等，工程规模为大（2）型，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。水库正常蓄水位62.00m，相应的防洪标准按100年一遇洪水设计，设计洪水位为64.16m，2000年一遇洪水校核，校核洪水位67.73m，汛限水位为58.00m。

水库主坝为黏土斜墙坝，下游坝壳区为砂砾料。坝长1088m，坝顶高程68.00m，最大坝高23.0m，坝顶宽5.0m。主坝上游坝脚设置截水槽，与斜墙一起组成防渗体。主坝坝基上部为卵砾石、粉质黏土层，下部为卵石、粉质黏土互层。

本文选取怀柔水库主坝为研究对象，并以主坝最大断面为代表性断面，开展了不同水位条件下的渗流与稳定性态变化，并就其变化规律开展研究。

3 怀柔水库蓄水以来水位变化

怀柔水库1958年开始蓄水，至今没有发生大洪水。通过图1所示的怀柔水库蓄水以来的水位变化可以看出，怀柔水库运行期的库水位大部分年份在57.0m上下运行。1959年～2014年年底，库水位最低值为53.00m，发生日期为1969年6月17日，库水位最高日均值为62.07m，发生日期为1973年8月17日。1988年进行了水库提高防洪标准工程，并于1991年竣工，1959年～1990年 6月 11日，库水位变化于53.00～62.07m，1990年6月12日～2014年12月31日库水位变化于55.12～60.29m。

在分析不同水位条件下的渗流与稳定性态变化时，此运行期所展示水位变化仅是当前蓄水位作为常态条件下的一种工况，还应考虑一些非常态的特征水位工况，如正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位等。

图1 怀柔水库蓄水以来库水位变化

4 怀柔水库主坝监测位移变化

怀柔水库大坝在修建初始未设监测设施，所有监测设备均为后期补埋，其中主坝设有坝体变形观测点。这些设施在水库的运行管理中发挥了重要的作用。1988年，水库提高防洪标准工程中对主坝进行了加高，原有的监测设施不能继续使用，在主坝加高工程完工后，重新埋设了水平位移观测标点、垂直位移观测标点。

图2和图3为怀柔水库主坝最大断面自1993年以来的垂直和水平位移变化情况。在图2所示的运行期库水位变化条件下，主坝沉降增量约为3cm，并且当前发展趋势几乎呈水平状。主坝水平位移过程线在1998年有提升，最大水平位移增量近4cm，后续又回落，其余时间基本呈振荡的形状，但振荡幅度较小，一般不超5mm。主坝最大断面的位移监测资料表明，在图1所示的水位标高下，主坝的变形已基本稳定，未发现不良发展趋势，安全性态正常。

运行期的水位决定了现行的监测结果仅对应于运行期所蓄水位条件下的主坝常态安全性态，对于正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位等特征水位条件下的非常态安全性态，在无相应水位条件下的监测资料时，需以现有水位及监测资料为校正，通过数值计算的方法，对这些特征水位条件下的安全性态进行分析。

5 不同水位条件下的渗流性态变化

5.1 计算条件

渗流计算是稳定计算的基础，在渗流计算之初，在建立模型、确定计算参数、设定上下游底部边界条件等时，不仅应考虑渗流自身，还应兼顾考虑后续稳定计算的需求。

图2 怀柔水库主坝垂直位移过程线

图3 怀柔水库主坝水平位移过程线

在本次的渗流计算中，首先依据主坝最大断面建立渗流计算模型，断面的分区既参考最大断面的实际分区情况，又兼顾稳定性计算的需要，并且在有利渗流计算且结果不失真的前提下进行简化。

选取合理的、具备代表性的渗透系数是保证渗流计算结果准确的前提。渗透系数的确定方法一般有2种，一种是通过试验获取；另一种是通过现场监测到的水位，通过渗流反分析获取。对于开展安全性评价的大坝，其已经运行一段时间，往往也监测到了坝体内的水头，这时可以通过渗流反分析来确定坝体各分区的渗流系数。但当坝体分区较多的情况下，单一水头分析可能难以反分析出各个分区的渗透系数，这时应以防渗体渗透系数的反分析为主。如果可行的条件下，也可通过试验渗透系数及工程类比，对反分析的渗透系数作二次验证。表1为本次渗流计算的参数。

表1 渗流计算参数

二维渗流计算时，确定计算模型的边界及其条件，以不使坝体和坝基中的渗流状态失真为原则。计算过程中，上游坡面依据不同计算工况设置相应的水位边界条件，下游坡面依据实际情况设计水位边界条件，模型底部边界多以不透水边界处理。依托案例怀柔水库的上游水位工况共考虑了4种，分别为当前蓄水位58.00m、正常蓄水位62.00m、设计洪水位64.16m和校核洪水位67.73m。

5.2 渗流性态分析

5.2.1 浸润线与水力梯度

计算表明随着库水位的抬升，防渗体内的浸润线位置也不断抬升，并且浸润线的坡度越来越陡，越来越向防渗体下游侧靠拢。

浸润线坡度表征了水力梯度，浸润线坡度越陡，防渗体内水力梯度也就越大。水力梯度较大区域主要位于斜心墙下游侧位置，并且随着水位的抬升，防渗体内的水力梯度也不断增大。在校核洪水位内，防渗体内的水力梯度最大。大坝最大水力比降为5，位于斜心墙体内，不会发生渗透破坏；斜心墙与反滤料接触位置的最大水力比降为1.5，在反滤级配合理的条件下不会发生渗透破坏。从长期的运行情况看，大坝没有发生过渗透破坏的迹象，斜墙防渗体起到了良好的防渗作用，下游测压管内实测水位也一直保持较低的位置水平，有利于坝体的稳定。

5.2.2 单宽渗流量

大坝在当前蓄水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位四种工况下的单宽渗流量分别为2.4×10-6m3/（s·m）、3.2× 10-6m3/（s·m）、4.4×10-6m3/（s·m）和1.3×10-5m3/（s·m）。图4为单宽渗流量随水位标高的变化，从图中可以看出，单宽渗流量与水位标高的变化呈正比，随着水位标高的增加而增加。但在不同特征水位之间的单宽渗流量增幅比例却是呈反比，随着水位标高的增加而降低，其中以设计洪水位和校核洪水位之间的增幅比例最小，当前蓄水位与正常蓄水位之间的增幅比例最大。

图4 单宽渗流量随水位标高的变化

6 不同水位条件下的稳定性态变化

6.1 计算条件

坝坡稳定计算分析的断面和计算工况与渗流分析相同，主要是分析最大断面在当前蓄水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位4种工况下的上下游坝坡稳定性，其中校核洪水位只考虑了上游坝坡的稳定性。通过试验结果、原设计勘察资料、此次安全评价地勘复核及工程类比综合方法确定最终的计算参数，采用的具体强度指标见表2。

表2 稳定计算参数

坝坡稳定分析中水的作用主要考虑2种：一种是库水的静水压力；另一种是坝体内的浸润线。库水的静水压力依据水位标高设定，坝体内的浸润线位置依据渗流计算结果确定。

6.2 稳定性态分析

6.2.1 最危险滑面

图5～图8分别为最大断面在当前蓄水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位4种工况下的上下游坝坡最危险滑面的位置，其中校核洪水位只计算了下游坝坡最危险滑面的位置。对比可以看出，随着库水位的不断抬升，上游坝坡最危险滑面的范围不断缩小，剪出口不断随着水位的抬升而抬升，始终略低于所蓄水位。这是因为库水抬升后，库水的静水压力作用及坝体内部浸润线影响了上游坝体的受力，从而影响了最危险滑面的位置。不同水位条件下，下游坝坡的最危险滑面位置几乎不变，均是从上游坝顶处剪入，下游坝脚处剪出，这是因为库水位抬升仅改变了坝体上游侧的浸润线，而对下游侧的浸润线影响较小。

图5 主坝稳定性计算结果（当前蓄水位）

图6 主坝稳定性计算结果（正常蓄水位）

图7 主坝稳定性计算结果（设计洪水位）

图8 主坝稳定性计算结果（校核洪水位）

6.2.2 安全系数

主坝计算断面上游坡在当前蓄水位、正常蓄水位和设计洪水位3种工况下的安全系数分别为3.58、4.42和5.48，图9为上游坝坡安全系数随水位标高的变化。从图中可以看出，随着库内水位的抬升，上游坝坡的安全系数不断增加，但增幅比例不断降低。由此可以看出，库内水位的抬升，影响了上游坝坡的受力影响，从而也影响了其最危险滑面位置及相应的安全系数。下游坝坡在当前蓄水位、正常蓄水位和设计洪水位3种工况下的安全系数基本相同为2.45，这是因为库水升高只对斜墙防渗体内的浸润线有影响，而由于坝壳砂砾石料的透水性大，下游坝坡内的浸润线位置变幅很小，因此影响不到下游坡的稳定。下游坝坡在校核洪水位条件下的安全系数略有降低为2.44，这是因为在校核洪水位条件下，上游侧浸润线略微进入了最危险滑面内，从而局部影响了有效应力的分布。各种水位条件下，主坝下游坝坡安全系数几乎没有变化是因为库水升高只对斜墙防渗体内的浸润线有影响，而由于坝壳砂砾石料的透水性大，下游坝坡内的浸润线位置变幅很小，因此影响不到下游坡的稳定。

图9 上游坝坡安全系数随水位标高的变化

7 结论

渗透破坏和坝坡失稳是我国大坝溃决的2个主要诱因，因此渗流与稳定是大坝安全评价和运行管理中的2个主要方面。怀柔水库建库后没有发生大洪水，现有的监测资料所对应的水位大部分在57.0m上下运行，低于正常蓄水位62.00m，相应的监测资料不能反应出正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位等特征水位条件下的主坝非常态安全性态，因此本文基于已有监测资料，通过数值计算，对特征水位条件下的渗流与稳定性态进行了分析。

渗流计算是稳定计算的基础，在渗流计算流程中应兼顾考虑结构稳定计算的需求，渗透系数应视条件依据现场监测到的水位进行反分析确定。但当坝体分区较多的情况下，单一水头分析可能难以反分析出各个分区的渗透系数，这时应以防渗体渗透系数的反分析为主。

在当前蓄水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位4种水位条件下，随着库水位的抬升，斜心墙内的浸润线位置也不断抬升，并且浸润线的坡度越来越陡，越来越向心墙下游侧靠拢。水力梯度较大区域主要位于斜心墙下游侧位置，并且随着水位的抬升，斜心墙内的水力梯度也不断增大。在校核洪水位条件下，防渗体内的水力梯度最大。大坝最大水力比降为5，位于斜心墙体内，不会发生渗透破坏。斜心墙与反滤料接触位置的最大水力比降为1.5，在反滤级配合理的条件下不会发生渗透破坏。

随着库水位的不断抬升，上游坝坡最危险滑面剪出口不断抬升，安全系数不断增加，这是因为库水抬升后，库水的静水压力作用及浸润线影响了上游坝体的受力，从而影响了最危险滑面的位置及相应的安全系数。随着库水位的不断抬升，下游坝坡最危险滑面及安全系数变化较小。这是因为库水升高主要影响了斜心墙内的浸润线，由于坝壳砂砾石料的透水性大，下游坝坡内的浸润线位置变幅很小，因此对下游坝坡的最危险滑面及安全系数的影响较小。

在水库日常运行管理及应急管理中，水库的渗流与稳定性态随水位的演化是日常巡视的关注点，也是管理中一些措施制定的出发点。通过对怀柔水库黏土斜心墙坝在不同水位条件下的渗流与稳定性态变化分析，不仅可以从管理的角度掌握大坝在常态和非常态时的运行性态，从不同水位条件下的渗流出口、滑面位置等角度出发，在日常管理中确定现场大坝巡视时的重点部位，确定重点监测位置，还可以在应急管理时根据滑面的剪出口确定临时反压位置等。

【1】解家毕，孙东亚.全国水库溃坝统计及溃坝原因分析[J].水利水电技术，2009，40(12)：124-128.

【2】张利民，徐耀，贾金生.国外溃坝数据库[J].中国防汛抗旱，2007（增刊）：2-12.

【3】覃友中.大坝安全评价的现状及其发展要求[J].四川水力发电，1996，15（4）：14-20.

【4】黄其愚.大坝安全评价简述[J].大坝与安全，1995（31）：8-15.

【5】SL258-2000水库大坝安全评价导则[S].

Seepage and StabilityAnalysis of Clay Core Dam under DifferentHydraulic

HAOLi-juan1,ZHAOLi-ting1,DUYun-long1,LIWei-chao2
（1.Beijingjing-miWaterDiversionManagementOffice,Beijing101400，China；2.ChinaWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Beijing100048，China)

In the statistics of damfailure, seepage failure and damslope stability are the twomost common causes, and the seepageandstabilityare the twomaincontents inthe safetyevaluation andmanagement of the dam.Taken themain damofHuairou reservoir asanexample, at first, thedeformation of thedamintheoperationwasanalyzed, following, steadyseepage simulationswere carried out toinvestigate the seepageperformanceofdamunderdifferentwater levels, such as currentwater level, normalwater level, designed floodlevel and check flood level. Based on seepage simulation changing of location of water table, leakage and hydraulic gradient withincreasing of water level were investigated. With the computed water table, the stability of dam under corresponding hydraulicconditionswascalculatedbylimit equilibriummethod, the changingof factor of safetyand location of the slidingcirclewith increasingof water level was investigated. This study not only lay the foundation for the seepage stability assessment and structural stabilityassessmentofHuairoureservoir, but also provide reference for the safetyevaluationofearth rockdamunder similar conditions.

seepage failure; damslope stability; safetyevaluation

TV641.2+2;TV641.2+6

A

1007-9467（2016）12-0106-05

郝丽娟（1970～），女，北京人，高级工程师，从事水利工程管理与研究。