欧明远

(贵州三策工程设计咨询有限公司，贵州 贵阳 550081)

土坝的稳定性受很多因素的影响[1]。管涌侵蚀通常会降低土坝的稳定性；水位升降及其与土体的相互作用在坝体内形成一条浸润线，对土坝结构的稳定性具有不利的影响[2]。合理设定水位下降速度、降幅及放空可能性，对设计及水库安全运行至关重要[3]。

因此，需要分析水位上升和骤降对土坝结构的影响。在以往的研究中，试验装置常用排水渗水箱[4]，而本文采用的是土坝的三维物理模型，该模型配有变形传感器、水位计和土壤水分传感器。研究分析包括水位升降、坝坡坡度和坝体土体组成等影响因素对土坝稳定性的影响。

1 研究方法

根据贵州某小型水库坝体的尺寸进行概化缩放得到本次试验土坝模型，本研究仅考察水位波动对土坝边坡稳定性的影响[5]。由于使用的坝体材料与该水库不同，因此，本研究的结果并不代表此水库的实际情况。

模型试验的水槽长600 cm、宽150 cm、高50 cm，铺设土坝模型的砂土粒径为0.07～4.75 mm。土坝模型高40 cm，坝顶宽30 cm。试验模型的上游坡度设置为1∶1.0和1∶1.5两种，而下游坡度均设置为1∶1。土坝模型的组成成分有三种：(1)100 %砂质粉土。(2) 90%砂∶10%砂质粉土。(3) 80%砂∶20%砂质粉土。图1为土坝模型试验布置示意图。

在坝体内，安装了6个土壤水分传感器、1个变形传感器、3个千分表和1个水位计。上游配有两个管道，用于在进行快速水位下降试验时进行配水；在下游，安装了一个管道，用于排水和蓄水控制。试验过程中，人工观察监测水位的升降情况，并测量实时流量。

水位升降是分阶段模拟的，每组试验都有所不同。在试验过程中，监测坝体的变形情况，直到上游或下游的斜坡由于水位的快速上升和下降而坍塌，观察并记录坍塌的过程。此外，还进行了不同条件下的分析，以研究水位升降、上游坡度和坝体材料组成对大坝变形和稳定性的影响。并利用Plaxis 2D应力-变形分析程序对大坝结构的变形和安全系数进行计算分析。

2 结果和讨论

2.1 土坝的渗流试验

动水压力对坝体稳定性有很大影响。如果坝体内出现的渗透压力大于等于临界值，就会引起细土颗粒的运动，导致地下出现管涌，这种情况会降低大坝稳定性，造成滑坡等危害。

在渗流试验中，上游的水位变化是分阶段进行的，并由阀门控制。采用莱恩法对加权蠕变比(WCR)的管涌风险进行了分析，计算了上下游水位高差和通过坝体底部的浸润线长度(Lw)，结果见表1。

表1 不同条件下的WCR计算结果

本次试验的WCR临界值为2，若WCR<2，则说明土坝稳定性差，会发生崩塌破坏；若WCR>2，则认为坝体稳定性好，不会发生破坏。根据表1，上游水位在160～170 mm范围内时WCR>2，因此，土坝不会因管涌而产生滑坡破坏。而当上游水位上升到300 mm时所有工况都存在发生管涌破坏的风险。

上游水位越高，WCR越低，这表明土坝模型更容易因管涌而产生滑坡风险。下游的坡度也会影响WCR。通过减小坡度，浸润线长度会变长，Lw的值会更大。因此，在上游水位相同的情况下，上游坝坡的坡度越小则WCR越大。

2.2 水位升降对土坝的影响试验

2.2.1 土坝对水位快速上升的响应

上游水位的快速上升对土坝模型的稳定性有重要影响。滑坡始于大坝模型底部的渗漏，随着上游水位的升高，渗漏量会越来越大。这是由于孔隙水压力的增加导致土体的有效应力和抗剪强度降低，最终导致滑坡。坝坡的稳定性用安全系数(SF)表示，安全系数用摩根斯坦-普莱斯法的极限平衡法(LEM)确定。

上游水位快速上升时，下游边坡更容易发生滑坡。上游坡度的两种变化具有几乎相似的安全系数，即上游水位为20 mm时，安全系数值范围为0.80～1.10。当水位上升至300 mm时，安全系数将降至0.75以下。两个模型的下游都出现了破坏。图2显示了由于上游水位上升，下游边坡的安全系数降低。

图2 水位上升引起的上游边坡安全系数变化

计算结果与试验室物理模型试验结果符合良好。根据计算结果，上游水位上升时所有模型的安全系数均降低至临界值以下(SF< 1.00)，即坝坡不稳定。实际情况也是如此，所有物理模型都发生了不同程度的破坏，破坏程度受上游坡度和水位上升速率的影响。

2.2.2 大坝对水位快速下降的响应

水位骤降时，土坝模型的上游坝坡发生变形和裂缝。水位骤降的破坏过程始于上游坝坡表面土壤颗粒的运动，然后加剧侵蚀，然而，并没有发生滑坡。不同上游坡度的模型对水位骤降的响应不同。上游水位快速下降期间安全系数的变化如图3。

图3 水位骤降引起的上游边坡安全系数变化

如图3，上游水位的快速下降增加了滑坡风险，表现为安全系数显著降低。在进行快速水位下降之前，当水位为300 mm时，上游斜坡的安全系数为1.00～1.60。水位降至180 mm后，所有工况下的大坝模型的安全系数均低于1.00。同时，边坡倾角越小，大坝模型的稳定水平越高。

用LEM法计算安全系数的结果与试验室物理模型试验的结果相比有差异。根据计算结果，所有模型的安全系数均小于1.00。但是在物理模型中，由于上游水位快速下降，并没有发生滑坡。然而，在水位骤降过程中，上游坡面土壤颗粒向下移动。

2.3 大坝变形

坝体模型因自重而产生的最大垂直变形发生在上游坡度为1∶1.5的100%砂质粉土坝模型上。在上游水位上升的模拟中，最大总位移为1.69×10-5m，出现在100%砂质粉土坝模型的上升三期(从150 ～300 mm)坡度为1∶1.0。图4显示了坡度为1∶1.0和1∶1.5的100%砂质粉土在不同上升阶段的总位移(U总)。位移方向由箭头表示，而总位移的大小由箭头长度表示。

图4 不同上升阶段的土坝(100%砂质粉土)总位移U总

上游水位骤降模拟中，位移值为1.10×10-5～ 6.48×10-5m，上游坡度为1∶1.5的100%砂质粉土坝模型中的应变值增量为-1.75×10-2%。此外，有效应力值为7.35～9.75 kN/m2。80%砂∶20%砂质粉土组成的模型的总位移增量(dU总)如图5所示。图5和图6中的箭头方向和幅度表明，在水位快速下降期间，上游边坡容易发生变形。可以看出，80%砂∶20%砂质粉土组成的总位移增量值高于100%砂质粉土的总位移增量值。

图5 坡度为1∶1.0的80%砂∶20%砂质粉土模型在快速下降过程中的总位移增量dU总= 1.11×10-6 m

图6 坡度为1∶1.0的100%砂质粉土模型在快速下降过程中的总位移增量dU总 = 6.95×10-7m

从试验室观测和计算结果可以得到相似的结果，即弹性模量越低的模型位移越大。在室内试验中，砂质粉土成分越高的模型，砂土成分越小，弹性模量越小，其位移越大。

3 结 论

坝体的渗流导致组成土坝的砂质粉土和砂粒向下游渗流方向移动。这种运动可能会导致坝体变形。坝体变形分析采用应力变形分析法。对于位移(垂向位移、总位移、总位移增量和增量应变)，最大值通常出现在上游坡度为1∶1.0的100%砂质粉土模型中。这表明，这四个参数值符合砂质粉土的组成，并将随着模型上游坡度的减小而减小。

对于应力分析(有效应力和总应力)，最高值出现在成分为80%砂∶20%砂质粉土的模型中。一般来说，有效应力和总应力的值随着上游坡度的减小而减小。同时，100%砂质粉土组成的模型安全系数最低。

大坝模型中的渗流流量不受下游坡度的影响，可以通过减小上游坝坡的坡度，增大WCR值，提高坝体稳定性。在上游水位相同的情况下，坡度越缓，坝体的WCR值越大，坝体越稳定。