水位骤降下面板堆石坝上游盖重区稳定性分析

方致远 何佳卓 张凯 张凯馨

摘要：混凝土面板堆石坝上游侧常设置铺盖及盖重区，特殊情况下该区产生滑坡将对面板止水结构造成破坏，影响坝体渗透稳定和结构稳定。我国西北地区某混凝土面板堆石坝工程因导流洞事故而造成库水位在56h内骤降约100m，坝前下部铺盖与盖重区滑塌，部分面板止水结构破损。为此，利用非圆弧滑动计算方法，对该事故进行模拟计算，结果表明：止水结构的破坏主要是上游铺盖与盖重区在渗流力作用下产生沿面板表面的滑坡，滑动面上碎石等堆渣材料与止水结构产生摩擦所致；面板上铺盖与盖重区滑动范围在高程638.76～680.98m间，滑坡堆积体以下11m范围内的止水仍存在破坏可能。在除险加固工程中着重对该险情进行处理，采取了对该盖重区进行渗流控制以及渗流量监测的工程措施，保障该工程安全运行。

关键词：面板堆石坝；库水位骤降；铺盖与盖重区；杭滑稳定

中图分类号：TV641.4+3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.024

面板堆石坝对复杂地形地质条件和恶劣气候均有很强的适应性，工程量较小，建设速度快，因此在国内外应用较广[1]。面板堆石坝一般以经验设计的方法进行建造[2]，在100m以上的高坝中[3-5]，面板上游侧常设置铺盖及盖重区[6]。该区一般由具有一定防渗能力的级配连续土填筑的铺盖和任意料盖重组成，起到辅助防渗功能。由于设置目的为防渗，因此其稳定性只需满足一般性要求即可，但若特殊情况下该区产生滑坡，将会对面板止水结构造成破坏，影响坝体渗透稳定和结构稳定。我国西北地区某混凝土面板堆石坝工程，因导流洞事故而造成库水位在56h内骤降约100m，坝前下部铺盖与盖重区滑塌，部分面板止水结构破损。本文利用非圆弧滑动计算方法，对该事故进行了模拟，分析了滑坡成因，确定了滑坡造成的止水破坏范围，以期为指导工程修复提供参考。

1 计算原理及方法

本次对上游盖重及铺盖料滑坡的计算采用河海大学工程力学研究所开发的壩坡抗滑稳定分析计算Au-tobank软件。该软件遵照现行《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）[7]有关稳定安全计算的若干规定，提供可用于土石坝、面板堆石坝、堤防、一般土质边坡、尾矿坝稳定计算的方法有瑞典圆弧法[8]、简化毕肖普法[9]、摩根斯顿一普莱斯法[10]等。水位骤降情况下铺盖及盖重料滑动形式为非圆弧滑动，故采用摩根斯顿一普莱斯法，计算公式如下：式中：x为土条宽度；q为坡顶外部的垂直荷载；W为土条质量；p（x）为土条底部滑动面上各作用力在滑动面上的合力垂直方向的分量；s（x）为土条滑动面上的合力到土条底部中点的水平距离；a、b分别为整个滑动土体区域在水平向坐标的下限、上限；Me为水平地震惯性力对土条底部中点的力矩；α为条块底面与水平面的夹角；u为孔隙水压力；Q、V分别为土条的水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；β为土条侧面的合力与水平方向的夹角；ζ为x方向的微积分替代量；t（二）为垂直于土条推力方向的力臂；he为水平地震惯性力到土条底面中点的垂直距离；c'e、φ'e为采用摩根斯顿一普莱斯法计算的土体抗剪强度指标的修正值；K为安全系数；c'、φ'为有效应力强度参数指标。

2 工程实例

2.1 工程概况

我国西北地区某水电站工程由拦河坝、导流洞、深孔泄洪洞、表孔溢洪洞、引水发电系统以及电站厂房等组成。拦河坝采用混凝土面板堆石坝，为1级建筑物。坝顶高程756.3m，坝顶宽度为8.0m，坝长446.0m，最大坝高140.3m。上游坝坡坡比为1：1.5，下游坝坡上坝公路间坡比为1：1.3，最大断面下游平均坡比约为1：1.7。面板顶部厚0.3m，底部最大厚度为0.75m，河床部位面板宽12m，岸坡部位宽6m。面板下部采用平趾板，趾板建在弱风化基岩上。周边缝设三道止水，依次为GB填料、GB止水条、止水铜片；面板张性缝设置橡胶、铜片两道止水；面板压性缝设一道铜片止水。

混凝土面板堆石坝坝料从上游至下游分为上游盖重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层区、特殊垫层区、过渡区、堆石料区。该电站水库下闸蓄水初期，当库水位上升至737.00m时，导流洞封堵闸门失控，库水下泄，泄水流量达1094m3/s，库水位在56h内骤降约100m，导致坝前下部铺盖与盖重区滑塌。

2.2 上游铺盖与盖重区滑坡情况

上游铺盖与盖重区顶高程为695.00m，顶宽11.0m。内层为顶宽3.0m、上游坡比为1：1.5的铺盖料，作用是形成面板上游的防渗补强区，并与特殊垫层区联合淤堵开裂周边缝、实现自愈功能。上游盖重区位于上游铺盖区外侧，顶宽8.0m，上游坡比为1：1.8，作用是稳定上游铺盖区边坡，主要是将开挖弃渣等任意粗粒料利用运输和推平设备自然压实，不进行专门碾压。面板分缝布置见图1。

经现场检查发现，面板上游侧铺盖及盖重区滑塌对面板河床段止水造成损坏，统计如下：①21、22号面板间表层止水盖板破坏长度约1.0m；②22、23号面板间表层止水盖板破坏长度约30cm；03 23、24号面板间表层止水盖板破坏长度约20cm；④25、26号面板间表层止水盖板撕裂小口长度约15cm；（5）27，28号面板间表层止水挤压变窄、扁钢脱落，长度约6.0m；⑥28、29号面板间表层止水高程695.00m以下存在5处盖板撕裂小口；⑦31、32号面板间表层止水挤压变窄、盖板撕裂，长度约5.0m；⑧32、33号面板间表层止水盖板撕裂、变窄，局部压平，长度共计约20.0m；⑨33、34号面板间表层止水盖板撕裂、挤压变窄，长度约12.0m；⑩34、35号面板间表层止水盖板撕裂、挤压变窄；11左岸周边缝沿趾板方向接头脱落，B型缝接头变窄。

3 计算方案

3.1 计算参数

面板上游侧铺盖土料采用C2料场表层土，为洪积黄土状低液限粉土，中等压缩性，在铺筑过程中未进行专门碾压，只利用铺筑设备自重进行压实。根据现场施工过程照片判断，土料抗剪强度不会太高，参照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录D稳定分析中对库水位降落期抗剪强度取值的说明，库水位降落期抗剪强度应采用若干组试验成果中的下包线，本次计算所用铺盖土料抗剪强度参数为水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院（下文简称新疆院）提供的C2料场土料物理力学性质试验中C2-TJ4-1试样试验结果（见表1）。C2-TJ4-1试样取自C2料场表层土，具有代表性，同时该试样饱和含水状态下黏聚力是所有试验中最低的，满足《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）对水位骤降工况下土料抗剪强度选取的要求。

面板上游侧盖重料主要由堆石开挖弃渣等任意料填筑，其在铺筑过程中亦未进行专门碾压，抗剪强度亦不会太高。盖重区抗剪强度参数与铺盖料抗剪强度指标选取原则一致，参考C2-TK11试样试验结果（见表2），取样深度为1.8～3.2m，其力学试验控制密度为密实状态下的密度，但填筑过程中未进行专门碾压，故盖重料最终计算采用的抗剪强度指标为在新疆院提供的砂砾料饱和抗剪强度指标基础上根据天然状态干密度与紧密状态干密度比值换算得来的值。

铺盖土料与面板间抗剪强度指标参考《挡土墙设计规范》（SL379-2007）中关于挡土墙基础与黏性土地基间黏聚力C0和内摩擦角φ0的说明选取：

φ0=0.9φ（9）

C0=（0.20～0.30）C（10）式中：φ为铺盖土料室内饱和固结快剪试验测得的内摩擦角，（°）；C为铺盖土料室内饱和固结快剪试验测得的黏聚力，kPa。

综上分析，面板上游侧铺盖与盖重区土料分区物理力学性质指标见表3。

3.2 计算工况及断面

根据库水位骤降实际情况，计算工况取库水位由737.00m骤降至637.00m，时间为56h。根据铺盖分布情况选取了桩号0+261.00（河床段）断面、0+159.69（左岸）断面和0+330.42（右岸）断面进行面板上游侧铺盖滑坡计算分析。

4 计算结果分析

表4为各计算断面滑弧情况统计，图2～图4分别为0+261.00（河床段）断面、0+159.69（左岸）断面和0+330.42（右岸）断面滑坡情况。

从图2可以看出，库水位降落过快，上游盖重与铺盖区内浸润线无法及时随水位降低而降低，尤其是主要成分为亚黏土的铺盖区仍处于饱和状态，在渗流力的作用下，滑弧安全系数为0.875，该滑弧内土体必然滑动。高程638.76～680.98m间滑弧内土体沿着面板与铺盖区接触面滑动，造成该区域内面板止水发生一定程度的破坏。高程680.98m至铺盖顶面间滑弧在盖重与铺盖区内穿过，该段滑弧长约14m，在現场检查发现，面板上游侧铺盖及盖重区土体发生滑塌，上游侧铺盖顶以下10～15m范围内仍覆盖有铺盖土料，说明滑弧起始自铺盖土内，然后沿着面板滑动。高程638.76m以下滑弧亦从铺盖土体内经过。现场检查发现最终铺盖顶面高程约为650.00m，是上部滑坡体在坝脚处形成堆积体造成的，滑弧位置表明河床段638.76m高程以下因为基本未受滑坡扰动，所以面板止水破坏可能性较小。638.76～650.00m高程段止水仍然存在发生较大破坏的可能性，但当前坝前铺盖已回填，且已初步蓄水，建议运行中加强渗流量监测。

从图3可以看出，该断面滑弧分布情况与0+261.00断面类似，自铺盖及盖重区顶高程以下约8.0m范围内滑弧穿过盖重区。高程664.55～686.71m范围内滑弧自面板与铺盖土料接触面经过，对该段面板止水造成一定程度的破坏。高程664.55m以下滑弧仍自铺盖及盖重区内经过，该高程以下面板止水受扰动较小，破坏可能性较小。

从图4可以看出，0+330.42断面上滑弧仍然自铺盖与盖重区经过，中间区段自铺盖土料与面板接触面经过。该断面铺盖及盖重料填筑范围为高程677.20-695.00m，范围相对较小，因此经面板的滑弧长度较小。

5 结语

利用非圆弧滑动计算方法，对我国西北地区某混凝土面板堆石坝工程因导流洞事故而造成库水位在56h内骤降约100m，坝前下部铺盖与盖重区滑塌，部分面板止水结构破损事故进行了模拟，分析了滑坡成因，确定了滑坡造成的止水破坏范围，得出如下结论。

（1）库水位在56h内骤降约100m过程中，坝前下部铺盖与盖重区滑塌，部分面板止水结构破损。其原因是上游铺盖与盖重区在渗流力作用下产生沿面板表面的滑坡，滑动面上碎石等堆渣材料与止水结构产生摩擦对其造成破坏。

（2）在库水位骤降工况下，面板上铺盖与盖重区滑动范围在高程638.76～680.98m间，滑坡堆积体以下11m范围内的止水仍存在破坏可能。建议运行过程中加强渗流量监测，发现问题及时处理。

（3）该水库于2016年下半年进行除险加固：①对上游铺盖与盖重区面板止水结构进行修复；②对上游库水位变化区面板进行锚固处理；③在上游处设置排水帷幕；④对关键部位加强渗流量监测。该工程除险加固后运行至今，运行表现以及监测数据均表明上述处理措施合理，能达到预期效果。

参考文献：

[1]马洪琪，曹克明.超高面板坝的关键技术问题[J].中国工程科学，2007，9（11）：4-10.

[2]中华人民共和国水利部.混凝土面板堆石坝设计规范：SL228-2013[S].北京：中国水利水电出版社，2013；26.

[3]门德斯F，王杨.埃尔卡洪混凝土面板堆石坝的快速施工[J].水利水电快报，2005，26（18）：7-10.

[4]MARENCO H.Case Study：Dam Safety During Construction，Lessons of the Overtopping Diversion Works at AguamilpaDam[J].Journal of Hydraulic Engineering，2006，132（11）：1121-1127.

[5]WON M S，KIM Y S.A Case Study on the Post-ConstructionDeformation of Concerete Face Rockfill Dams[J].CanadianGeotechnical Journal，2008，45：845-852.

[6]隋丽莉，MATER6N B.混凝土面板堆石坝发展综述[J].科技传播，2010（23）：130-131.

[7]中华人民共和国水利部.碾压式土石坝设计规范：SL274-2001[S].北京：中国水利水电出版社，2001：15-17.

[8]徐晓琴.瑞典圆弧法研究坡体稳定性在鹰厦线的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2011（25）：1-4.

[9]郭诚谦，宋敬衡.论土石坝稳定分析的瑞典圆弧法与毕肖普简化法之差异[J].水利水电技术，2007，38（9）25-27.

[10]ZHU D Y，LEE C F，QIAN Q H.A Concise Algorithm forComputing the Factor of Safety Using the Morgenstern-PriceMethod[J] .Canadian Geotechnical jounna1，2005，42：272-278.