均质土坝水位降落工况拟定及其对坝坡稳定影响的探讨

王民侠

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 概述

土石坝坝坡稳定的计算依据隶属岩土范畴，受限于其非均质性及弹塑性体的特性，计算中许多假定与实际情况存在一定差距，计算结果是半理论半经验的，能用作定性判断，但不能作为设计决策的唯一依据[1]，土力学奠基人太沙基曾说过，土力学既是一门科学又是一门艺术，有时候经验判断比理论计算还要切合实际，设计中经验积累及借鉴尤为重要。

粘性土均质土坝在库水位降落工况下，降落后浸润线与上游坝坡交界范围内的坝体饱和水排向库内，渗水方向为由坝内渗至上游坡外，是影响上游坝坡稳定的最不利工况，通常需采用放缓上游坝坡的处理措施。因此，库水位降落前后浸润线的确定成为此工况坝坡分析的关键因素，合理设定水位降落时的降速、降幅及放空可能性，对设计及水库安全运行至关重要。

2 水位降落工况的控制因素

2.1 计算采用的抗剪强度指标

在土石坝坝坡稳定分析计算中对筑坝土料的抗剪强度指标进行分析研判非常重要。

（1）试验方法

复核抗剪强度指标的试验方法与规范规定是否一致，是进行坝坡稳定分析的首要工作。对于粘性土料，规范明确有效应力法指标采用三轴仪固结排水剪（CD）或固结不排水剪测孔压（CU）或直剪仪慢剪指标（S），总应力法采用固结不排水剪指标（CU）。许多中小型水库或前期设计阶段为了测试方便往往提供的是快剪指标，试验方法的差异势必会引起计算结果的变化，因而在下达地勘任务书时就应明确各工况抗剪强度指标的试验方法。

（2）抗剪强度指标取值

《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）第D.1.3 条第一款规定，粘性土料的抗剪强度指标当取样数大于11 组时宜采用小值平均值[2]，有些工程在取样数大于11 组时，为了偏于安全建议抗剪强度指标会远低于小值平均值，这时就需要设计人员根据试验参数分析论证后进行选取，而不能盲目采用地质建议指标。

我院已建及在建的咸阳市亭口水库工程、延安市南沟门水库工程、铜川市龙潭水库工程、渭南市抽黄供水北湾调蓄池工程以及长武县鸭儿沟水库工程填筑土料均采用低液限粘土，现将各工程设计采用指标列于表1，可供同类水库设计借鉴。亭口大坝土料岩性为中、上更新统风积、风洪积黄土、黄土状壤土夹古土壤，硬塑～坚硬，土质较均匀，粉粒含量73.8%，粘粒含量24.1%；南沟门大坝料场堆积层以Q3黄土和Q2黄土状壤土为主，土料粉粒含量79.9%，粘粒含量10.4%，砂粒含量9.7%。铜川市龙潭大坝土料岩性由上部Q3eol黄土、古土壤及下部Q2eol+pl黄土状壤土夹古土壤组成，粉粒含量71.9%，粘粒含量28.1%；北湾调蓄池池堤料场岩性上部为第四系上更新统风积堆积（Q3eol）黄土，下部为上更新统冲积堆积（Q3al）砂壤土夹壤土，土料粉粒含量74.7%，粘粒含量24.9%，砂粒含量0.5%。

表1 各工程土料抗剪强度取值表

（3）计算结果取值

《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）第D.1.2 条规定，库水位降落期应同时采用有效应力法和总应力法，并以较小的安全系数为准[2]，由表1 可知，低液限粘土当内摩擦角增大时凝聚力将相应降低，据笔者计算经验可知，大多数工程都是总应力指标计算结果偏低，是控制边坡稳定的关键指标，建议地质单位在提供固结不排水剪总应力指标时应以试验值为基准，类比同类工程后慎重确定。在计算前期也可估算等代内摩擦角法确定计算应采用指标，较小的等代内摩擦角往往是控制计算结果的关键指标。对计算结果要根据经验进行定性判断，一般情况下上游坝坡在水位降落期安全系数较小，稳定渗流期安全系数较大，如果出现反常情况就要对计算参数及计算过程进行检查分析。

2.2 水位降落工况拟定

根据拟定的水库运行方式可知上游水位的最大降幅和最快降速，降幅越大降速越快对上游坝坡的稳定影响也越大，计算边坡稳定安全系数将趋小。均质土坝上游坝坡的稳定安全系数随降速的加快而降低，我国因库水位降落导致滑坡的土石坝统计结果表明[3]：已发生上游边坡滑动的土石坝，平均库水位降速为0.35 m/d～1.15 m/d，水位降幅为7.25 m～23.95 m。水位降速及降幅过大时，未考虑水位降落工况拟定的上游坝坡就有滑坡可能，在检修放空水库时要特别注意。

2.2.1 咸阳市亭口水库工程水位降落工况拟定

亭口水库位于咸阳市长武县，工程主要任务为工业和城镇生活供水，并兼顾防洪和发电等综合利用。均质土坝为2 级建筑物，最大坝高47.8 m，坝顶宽10 m。该工程入库水少沙多，水沙运行方式为适时相机迅速降低库水位敞泄排沙。为保证排沙效果，水库水位日降落幅度达8 m，最大降幅35 m（自正常蓄水位893.0 m 降落至排沙水位858.0 m），且此工况在该水库运行中属正常运用条件。库水位降落期黏性土三轴饱和固结不排水剪总应力指标为：ccu=26kPa，φcu=16.5°，水位降速属骤降，水位降落前后均采用稳定渗流浸润线作为饱和与非饱和土体分界线，利用STAB 程序按照简化毕肖普法进行上游坝坡稳定分析，满足规范规定安全系数1.35 时，上游坝坡坡比须放缓到1∶5～1∶5.5。由于均质土坝体型较大，经综合比选后优化为砂砾石压坡厚斜墙式土石坝。

2.2.2 水位降落工况拟定的经验做法

（1）设定库水位最大降速

对于均质土坝，收集已建工程运行资料，设定库水位最大降速来进行控制，不进行降落期上游边坡分析。一般要求库水位缓慢降落，降速不得超过1 m/d 或0.5 m/d。

（2）按最大泄空能力来计算降速

按水库最大泄空能力来计算水位降速，经渗流分析确定降落前后浸润线位置，当判别为水位骤降时，近似认为浸润线采用稳定渗流的浸润线，据此进行边坡稳定分析，这是上游坝坡计算最不利的一种情形，有些坝在运行方式上可能不会出现这样的工况，设计考虑到不可控因素的出现需快速泄空，还是按照最大泄空能力进行计算，这样有可能使得计算坝坡过缓，增加工程投资。

2.2.3 水位降落工况拟定的建议做法

在土石坝设计中，存在水位经常性快速降落工况的一般有以下三种情况，一是抽水蓄能电站的大坝；二是事故调蓄库的大坝；三是由大坝运行的特殊要求所确定，例如亭口水库工程由排沙所确定的库水位经常性快速降落。在这三种情况下要尽量避免采用均质土坝坝型，如果当地缺少石料时可采用上游砂砾石压坡或堆石厚斜（心）墙型式的土坝。

结合《平原水库工程设计规范》[4]的规定，笔者认为应在土石坝设计规范中对于有放空必要的均质土坝，增加水位降落速度的限定，这样便于更为合理地确定泄空建筑物的规模，避免规模过大造成浪费且据此规模控制边坡又造成边坡过缓。

（1）慎重研究确定放空运行方式

对于均质土坝，是否设置放空设施国内外的做法是有差别的，许多已建均质土坝，从来没有放空水库检修，库克曾提出，对于高坝大库，水很珍贵，快速放空水库造成的经济损失非常可观。加之土坝出现破坏征兆到破坏的时间一般较短，为此设置大流量的泄空设施往往不经济。《碾压式土石坝设计规范》（DL/T 5395-2007）第5.2.1 条规定宜研究设置放空设施的必要性[2]。随着施工技术的进步及新材料应用，水库除险加固时往往采用满库维修，江苏省沙河水库在除险加固中采用了“射水造槽法”进行了大坝带水头截渗处理，对于运行管理中不考虑放空的水库，笔者建议可进行除险加固预案研究而不是仅从放空考虑。

（2）合理确定水位降落速度

对于运行期泄水流量很小的工程，可由退水指标k/（μv）判断水位降落是否对边坡稳定带来影响，当坝体填筑料明确以后，k、μ 即可确定，可以将退水指标拟定在缓降或慢降范围之内，用k/（μv）反推求得水位降速的合理范围，尽量避免出现水位快降和骤降的运行条件。填筑土料渗透性越小，土体里持有的水分将越多，浸润线降落越慢，对上游边坡稳定越不利。给水度越大，渗流场内部水头的消散越慢，将给上游坝坡稳定带来不利影响。水位降速越快对坝坡稳定越不利。退水指标与降速判别及其浸润线确定方法对比表见表2。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）第E.6.1 条规定[5]，粘性土可按下式计算给水度：

式中：k 为土体的渗透系数，cm/s；n 为土体的孔隙率。

对于粘性土料来说，给水度一般为0.02～0.05，当计算结果超出此范围时，往往由于公式应用错误或适用范围限制造成，应对计算结果进行合理性分析后再采用。

表2 退水指标与降速判别对照表

当k/（μv）＞60 时，库水位下降缓慢，坝体内自由水面只占总水头的10%左右，无须考虑水位降速对上游坝坡稳定的影响，可不进行上游坡的水位降落期稳定分析，粗于细砂的粗颗粒土料给水度可按照公式μ=0.117×k1/7进行计算，k 为土体的渗透系数，m/d。根据土料渗透系数计算骤降及缓降所对应的水位降速，见表3。

表3 粗颗粒料不同渗透系数水位降速计算表

由表3 可知，当粗粒料渗透系数为1×10-4cm/s 时，水位降速大于10 m/d 时为骤降，水位降速小于0.02 m/d 为缓降；当土料渗透系数为1×10-3cm/s 时，水位降速大于75 m/d 时为骤降，水位降速小于0.13 m/d 为缓降；当土料渗透系数为1×10-2cm/s时，水位降速大于542 m/d 时为骤降，水位降速小于0.9 m/d 为缓降。据此可知，一般水库的退水指标在“1/10＜k/（μv）≤60”范围内，设计时需按库水位下降过程计算得到自由水面的下降位置，据此进行上游坡稳定分析。若运行期没有骤降工况时，要按实际情况确定水位降速，无须为了偏于安全统一按水位骤降进行边坡设计，这样会带来很大的浪费。

（3）正确解读和应用规范

《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）第3.2.3 规定“设计地震烈度为8 度、9 度地区或1 级、2 级土石坝，应论证是否设泄水底孔。”[2]结合本条款的条文说明可知，由于设置底孔会使工程投资大幅增加且会造成水量浪费，设计烈度低于8 度的地区且建筑物级别为3 级及其以下的工程，则不强制要求设置泄水底孔，设计满足工程的实际运用条件即可。

山东省地方标准《平原水库工程设计规范》（DB 37/1342-2009）第3.3 节第3 条规定，“为防止平原水库围坝失事对周围城镇、居民点及工矿企业造成巨大损失，小（一）型以上的平原水库应设置专用或兼用的泄水建筑物，其泄水能力根据将水库水位从设计蓄水位降至坝外地面高程以上1 m～1.5 m所需的泄空时间确定，泄空时间一般按10 d～15d 考虑。”[4]

为便于设计人员合理确定水库的泄空时间，建议土石坝规范应参照《平原水库工程设计规范》，针对粘性土均质土坝明确泄空时间或水位降速范围。

3 结语

均质土坝设计中，工程运行方式拟定时一般都明确了水位降幅，需要研究控制的是水位降速，选择合理的降速范围可对均质坝上游边坡稳定提供安全保障，也可使坝型设计更趋经济合理。计算参数的分析选取也是拟定坝坡的控制环节，设计时一定要根据规范要求合理选择地质参数，既不因盲目保守造成浪费更不能因参数选择不当造成事故。