李金龙LI Jin-long；杜海鑫DU Hai-xin

（四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都 610000）

1 基本情况

通过川内多座大坝的设计资料可知，沥青混凝土心墙石渣坝设计时上游坝壳料大多为弱风化及新鲜砂岩料，前期设计阶段对上游砂岩料的渗透系数一般为10-2cm/s 量级，前期试验成果多是在料场取料后在试验室内完成测试，由于川内地区砂岩料岩性软弱，碾压后破碎使小于5mm 颗粒含量增加，小于0.075mm 颗粒含量易超过50%，渗透性能基本上为弱透水性至中等透水性，比设计指导渗透系数要小。通过对沥青混凝土心墙石渣坝的渗流及稳定分析可知，上游坝料渗透系数越小水位降落时坝坡抗滑稳定安全系数越小，本文选择了几座大坝分析水库降落与大坝上游坝坡抗滑稳定之间的关系。

库水位变化对土坝上游坝坡拟定有着非常密切的关系，随水库水位的降落，Ѳ上游坝壳料内的所含水分也将随着水库水位的降落而排出坝体之外，当土壤渗透系数较小时，坝体内浸润线的降落速度将滞后于坝前水位的降落速度，因此库水位降落后，上游坝壳内仍有很高的浸润线，这除了增加坝体土重度外还会产生对上游坝坡稳定不利的非稳定渗流，这种非稳定渗流所产生的渗流力，将使土粒之间的有效应力减小，从而降低土的抗剪强度，危及坝坡的稳定性。水库水位降落速度愈快，上游坝壳内浸润线越高，坝坡内所产生的非稳定渗流力也愈大，因此对坝坡稳定性的影响也愈大。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2020），对不可压缩的无粘性土，由于骨架不可压缩，水位降落所引起的总应力改变并不引起孔隙水压力的变化，而孔隙水压力的变化取决于孔隙水随水库水位降落而排出的速度和方向，在上游坝体渗透系数大于10-3cm/s 时，一般可认为坝体是自由排水的，上游坝体内浸润线将随库水位降落而降落，不会产生过大的渗透压力而使上游坝坡失稳。对于一般均质坝及心墙砂壳坝坝体内浸润线下降的速度取决于库水位下降的速度V、土坝坝体的渗透系数k 以及土体的给水度μ 等因素，因此可能通过的比值来判断浸润线降落情况。

2 分析计算

本文计算时分别选择已经施工完成的湾潭河水库、八角水库、锁口水库进行分析。湾潭河水库位于通江河左岸一级支流袁池河上游的湾潭河河段，通江县至诚镇快活林村境内，水库距通江县城区约25.0km，是一座具有灌溉、场镇和农村人畜供水、县城备用水源等综合利用功能的中型水利工程，多年平均供水量996×104m3，拦河大坝为碾压式沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程663.00m，坝顶宽10.0m，心墙基础最低高程574.00m，最大坝高89.0m，坝基置于粉砂质泥岩上。上游坝坡采用堆石料碾压填筑，边坡1∶1.8；下游坝坡1∶2.00~1∶2.50，采用石渣料碾压填筑。

八角水库位于石亭江右岸二级支流湔氐河的板栗滩河段，是一座以农业灌溉和城市供水为主，兼顾发电等综合利用的中型水利枢纽工程水库。拦河大坝为沥青混凝土心墙石渣坝，坝顶高程908.50m，坝顶宽8.00m，最大坝高63.50m。大坝上游坝壳采用新鲜及弱风化砂岩碳质页岩混合石渣料填筑，上游边坡1∶2.00、1∶2.25。下游坝壳采用强、弱风化砂岩碳质页岩混合石渣料填筑，下游边坡1∶2.00、1∶2.25。

锁口水库位于合江县，是一座以灌溉为主，兼顾灌区集镇供水和农村人畜饮水等综合利用的中型水利工程。拦河大坝坝顶高程415.00m，坝顶宽8.0m，建基面高程384.00m，最大坝高31.0m。大坝上游边坡为1∶2.00、1∶2.25，高程397.00m 处变坡，大坝下游边坡为1∶2.00，大坝上、下游均采用石渣料碾压填筑。

上述三座水库均为沥青心墙石渣坝，上游坝料为砂岩，三座水库最大坝高分别为89.0m，63.5m，31.0m，三座大坝典型剖面图如图1 所示，三座水库的基本概况如表1 所示。

图1 大坝典型剖面图（八角水库）

根据水库运行调度方案，三座水库水位由正常水位降至死水位时间分别为15 天，10.8 天，15.8 天，根据前面所述公式，库水位降落情况计算如表2 所示。

表2 库水位降落期参数

对于稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程

式中：φ=φ（x，y）为待求水头势函数；

x，y 为平面坐标；

Kx，Ky为x，y 轴方向的渗透系数。

水头φ 还必须满足一定的边界条件，经常出现以下几种边界条件：

③在某边界上渗流量q 已知

其中lx，ly为边界表面向外法线在x，y 方向的余弦。

将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头函数势φ 为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可导得出线性方程组：

式中[H]——渗透矩阵；{φ}——渗流场水头；{F}——节点渗流量。

求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力坡降，流速等物理量，在稳定计算过程时分别将相邻的两条浸润线作为降前、降后浸润线，分时间段计算稳定性。大坝有限元计算过程如图2~图3 所示，计算结果整理如图4 所示。

图2 大坝稳定计算结果图（假定八角水库11 天降至死水位）

图3 大坝稳定计算结果图（假定八角水库1 天降至死水位）

图4 大坝降水时间与安全系数关系

从图中可以看出，大坝在水位降落情况下上游坝坡安全系数随水位降低而减小且基本上呈线性关系，这是因为上游坝料渗透系数较大，上游浸润线随水位下降较快，饱和区对稳定已经不起决定性作用，减小的原因是水位下降，上游坝坡水的盖重作用减小引起的。

图中还可以反应出，虽然上游坝坡稳定安全系数随水位降落一直减小，但最小值都还满足规范要求；通过表2计算可以知道，若要使水位降落为骤降工况，库水位下降速度要大大超出正常运行工况，本文假设上述三座水库在24 小时内由校核洪水位降死水位，按上述方法计算其安全系数分别为1.3398、1.2229、1.2334，仍都满足规范规定安全系数。说明这种大坝上游坝坡可不计算降水工况。

3 结论

本文通过三座水库分析计算，指出沥青混凝土心墙石渣坝降水时都属于缓降工况，上游坝坡内浸润线基本与库水位齐平，浸润线在坝体内滞后不明显。库水位降落会使上游坝坡抗滑稳定安全系数减小，但都大于规范值，指出这种类型沥青混凝土心墙石渣坝可不计算降水期上游坝坡稳定性，该结论对同类坝型的设计有指导意义。