水库水位波动对土坝渗流的影响

阿不都赛依迪·赛麦提

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 概 述

土坝除了拥有明显的优势外，同样具有可能威胁人类和环境的潜在危害。因此，在处理大坝时，从设计、建设和管理阶段都需要经过特殊处理。1970年，江西七一水库在引水隧洞施工期因采用岩塞爆破而无法控制库水位的降落速度(v=1.15 m/d)，左右坝段上游发生滑坡[1]。土坝垮塌的机理与水位波动以及与坝体土壤物质的相互作用密切相关。因此，有必要从水位波动、坝坡倾角和构成坝体的土体类型等方面分析库水位升降对土坝渗流的影响。本文采用物理模型试验的方法，分析水库水位波动对土坝结构渗流破坏的影响。

2 渗流与土坝稳定性

边坡破坏的原因之一是孔隙水压力的增加[2]。土壤渗透性定义为流体向上流过孔隙洞的土壤特性，水在土壤中的流动称为渗流。水流的阻力取决于土壤类型、颗粒大小、土壤质量密度和孔隙洞的几何形状。Casagrande提出了一种基于上下行不同水位、坡度、水力梯度和土壤渗透性的计算渗流的解析方法[3]。渗流模拟可以用SEEP/W程序进行数值模拟，在分析中使用的输入参数是模型的几何形状和大坝模型的土壤数据，如粒度、孔隙比、单位重量和渗透系数[4]。

3 研究方法

3.1 材料和仪器

建模采用来自新疆塔里木盆地的沙子作为主要材料。全砂料要通过10号筛(2 mm)，选取保留在200号筛(0.075 mm)上的砂。对于混合料，其中粉砂要经4号筛(4.75 mm)筛选出来，才可以采用。所有大坝模型的材料都是砂和粉砂混合物的3种比例变化，即100%的砂；90%的砂和10%的粉砂；80%的砂和20%的粉砂，它们具有相同的密度(γ)= 1.7 g/cm3和不同含水量(w)，分别为13.08%、14.27%和13.50%。

本文采用的主要设备为排水渗水池，见图1。通过对泵阀进行改造，控制上游水位上升和下降的速率。

图1 排水渗水池渗流模型试验示意图

3.2 研究阶段

配制阶段包括土料含水量、密度、单位重量、粒度分析、标准滚筒、直剪和三轴试验。通过对排水和渗水池的模拟，可以很好地观察到垮塌过程。大坝模型示意图见图2。模型高30 cm，宽10 cm，固定的下游坡度(1∶1)。上游坡度按1∶1、1∶1.5和1∶2变化。

图2 模型图正面

上游坡度为1∶2的土坝模型见图3。

图3 上游坡度为1∶2的土坝模型

3.2.1 渗流实验

实验开始时，水以阀门设定的速率流向大坝上游。每15 min时水位上升到一个稳定的水平就测量并记录。从下游出水管流出的水作为渗流流量进行测量。用同样的方法，将试验继续进行直到最大水位250 mm或者直到模型已经显示滑坡。

全砂质材料筑坝模型代号为S，其中一种由90%的砂和10%粉砂混合物筑坝模型代号为S90，另一种由80%的砂和20%的粉砂筑坝模型代号为S80。上游坡度分别为1∶1、1∶1.5和1∶2的模型编码为M1、M1.5和M2。阀门开度为1、2、3的型号分别编号为1、2、3等等。因此，以上游坡度为1∶1，阀门开度为1的全部由砂构成的模型为例，渗流模型编码为S-M1-1。

3.2.2 上游水位的涨落

上游水位的涨落是通过将上游水位快速上升至最大高度开始的。当最高水位达250 mm时，观测记录上升速率。同时，对滑坡过程进行观测，以识别滑坡的初始破坏及其机理。当水位高度变化每5 cm时都要重复以上这一步骤。

到达250 mm水位后，继续进行上游水位下降(快速下降)试验。水位下降速度采用排水阀来控制。当水位达到最低高度1.3 cm时，下降停止。

上游坡度为1∶1、1∶1.5和1∶2的模型用A、B、C进行编码，实验中水位上升为R；下降为L。例如，砂石材料引起的水位上升模型在上游坡度为1∶1，开阀为1的情况下，模型为S-RA1，下降模型为S-LA1。

4 分析与讨论

根据试验结果，可以分析各模型发生的渗流量以及水位升降与坝体渗流的关系。利用室内试验测得的渗透系数，采用解析法和数值法计算渗流量。此外，还可以分析上游水位快速上升/下降速率对坝体边坡稳定性的影响。

根据初步土体试验结果表明，土体为高塑性砂质粉土，而土体混合土(粉砂混合土)的渗流分析结果可作为渗流分析的依据。用于分析渗流的土体参数有孔隙比、粒径分析和渗透系数。全砂土的孔隙比为0.862；对于混合砂其中90%的砂和10%的粉砂，孔隙比为0.848；对于混合砂其中80%的砂20%的粉砂，孔隙比为 0.816。而全砂的渗透系数为0.002 098 7 cm/s；对于混合砂，其中90%的砂和10%的粉砂，渗透系数为0.001 745 9 cm/s；对于混合砂，其中80%的砂和20%的粉砂，渗透系数为0.001 400 7 cm/s。

4.1 渗流实验结果

根据渗流实验结果，可以确定渗流流量与上游水位的关系。渗流流量随上游水位的增加而增加。从图4可以看出，随着上游水位(H1)的增加，渗流流量(q)有增大的趋势。当上游坡倾斜程度相同时，混合土坝的渗流流量趋于变小。

图4 试验渗流量(q)与上游水位(H1)的关系

采用模拟的方法对下游发生塌方的边坡进行渗流试验。对于上游斜率为1∶1的S模型，在H1=100 mm,q=1.100 cm3/s的S-M1-4模型中，由于下游斜坡已经塌陷，故停止施工。对于S90，由于下游边坡发生滑坡，在S90-M1-4模型中，H1=135 mm，q=1.759 cm3/s处停止。S80在S80-M1-4处停止，q=2.344 cm3/s，H1=218 mm。对于上游坡度为1∶1.5和1∶2的模型，对发生塌方的下游边坡进行同样的模拟。

这说明渗流流量除受其组成物质的影响外，还受上游边坡倾角的影响。在混合物中加入的粉砂越多，q就越小。同样，坡度越大，大坝下游的流量越小。

4.2 渗流分析的解析法与图解法(流网法)

利用室内试验得到的渗透系数，对大坝渗流进行解析/图解法分析。图5为渗流流量的解析/图解法与实验结果的对比。

图5 解析/图解法渗流流量(q)与上游水位(H1)的关系

在图5(a)中，上游坡梯度1∶1和上游水位(H1)为100 mm的大坝模型, 解析/图解法中产生的最大q的模型排序为：S-M1(0.016 cm3/s)>S90-M1(0.015 cm3/s)>S80-M1(0.012 cm3/s)。模型S-M1为1.100 cm3/s的实验得到的q显著高于解析/图形法得到的q，模型S90-M1和S80-M1也有同样的结果。对于上游坡度为1∶1.5和1∶2的坝体模型，见图5(b)和图5(c)，趋势与上游坡度为1∶1的坝体模型相同，且q的实验结果大于解析/图解法的结果。

4.3 渗流数值模拟分析

考虑室内试验得到的土体参数，采用SEEP/W程序进行数值模拟。图6为SEEP/W分析得到的坝体模型渗流流量(q)。

图6 数值模拟得到的渗流流量(q)与上游水位(H1)的关系

在图6(a)中,上游坡度比为1∶1和H1=100 mm的大坝模型，最大q的模型排序为：S-M1(0.022 cm3/s)>S90-M1(0.021 5 cm3/s)>S80-M1(0.021 cm3/s)，实验得出的q的模型S-M1为1.100 cm3/s，比数值模拟得出的q值要大，模型S90-M1和S80-M1模型得出的结果也相同。对于上游坡度为1∶1.5和1∶2的坝体模型，见图6(b)和图6(c)，与上游坡度比为1∶1的坝体模型表现出相同的趋势。

图7给出实验和解析/图解法以及SEEP/W数值模拟得出的渗流流量(q)和上游水位(H1)的关系。

图7 各模型渗流流量(q)与上游水位(H1)的关系

分析和实验的结果表明，q值随着H1的升高有增大的趋势。在相同的上游坡度下，加粉砂模型的q值较小，是由于加粉砂导致渗透性较小。坝体上游是斜坡时的渗流q值比上游是陡坡时的渗流q值小。

在解析/图解法和数值模拟中，均质各向同性条件下，渗流为稳态流。总体而言，数值模拟得到的q值小于解析/图解法得到的q值。实验得到的q值比解析/图解法和数值模拟得到的要大得多，因为在实验室中很难建立理想的模型(均质、各向同性和稳态流动)。此外，q值差异较大，也是由于地基模型与墙体界面存在明显渗流，排水、渗水池地基在实验中无法测量。

4.4 水位波动对大坝安全的影响

4.4.1 水位快速上升的影响

水位快速上升对下游坡面滑坡的发生影响更大。上游水位上升导致上下游水位差异较大，坝体内部渗流压力较大。这将增加坝体内部的孔隙压力，降低土体的抗剪强度。由于抗剪强度的下降，上游滑坡在下游趾部出现裂缝，上游水位持续上升。

4.4.2 水位快速下降的影响

土坝在高水位时可能会达到饱和。快速下降导致孔隙中的水变得缓慢，大坝中的土壤仍然充满水，潮湿导致压力向下。此外，由于坝体内水位的差异，流向上游的渗流会增大，导致上游的渗流压力增大。在这种情况下，边坡的稳定性处于临界状态，有发生滑坡的可能性。

5 结 论

试验结果表明，上游水位高度(H1)对渗流流量(q)的影响大于上游坡面倾角。分析结果显示，q值与H1值变化趋势一致。对于上游坡度相同的坝体模型，粉砂混合量较多的坝体模型q值较小，上游坡度较大的坝体模型q值小于坡度较大的坝体模型的q值。总体而言，由于在均质、各向同性和稳态流动条件下建立模型的难度较大，实验得出的q值比解析/图解法和数值分析得出的q值要大得多。此外，这也是由于在实验中未测量到的渗漏通过了模型与排水、渗水池基壁之间的界面。

上游最大滑坡水平发生在H1处且上游坡度较陡(1∶1)的模型中。当上游水位快速上升时，坝体内孔隙水压力增大，土体剪切阻力减小，下游边坡可能发生滑坡。当上游水位急剧下降时，孔隙中的水分会缓慢消散，淤泥仍处于湿润状态。孔隙水压力增大，向上游方向的渗透压力增大。

进一步的研究建议是在坝体内外使用观测仪器，以获得更全面的坝体变形行为。土石坝模型与墙的交界区及排水、渗水池底座应加石膏，防止交界区渗水。