库水位骤降下土石坝损伤评价方法

摘要

本发明公开了一种库水位骤降下土石坝损伤评价方法，涉及岩土工程监测领域，用于提高土石坝的安全性和延长其使用寿命。该方法包括：确定评价目标的坝壳饱和渗透系数K；确定与该坝壳饱和渗透系数K相对应的坝壳材料的给水度μ；确定该评价目标的水位速降指标范围；确定评价目标的降速范围；根据评价目标的降速范围，选择任意的N个点作为降速值，计算每一个降速值对应的损伤系数η，以及库水位下降阈值；根据降速值以及库水位下降阈值，建立降速值、库水位下降阈值以及损伤系数η三者对应关系曲线图；对评价目标进行损伤评价。该方法适用于土石坝。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程监测领域，尤其涉及一种库水位骤降下土石坝损伤评价方法。

背景技术

当水位骤降时，坝体表面的水压荷载虽已卸掉，而由于土的持水作用，坝体内浸润线将高于外坡的水位，产生向下牵引的作用力，对坡体进行侵蚀和掏空，进而造成损伤破坏。上世纪，江西、湖北等地的多个水库在泄洪或是水位骤降时产生上游坡面损伤和破坏，给人民生命财产带来了无比巨大的损失。

长时间正常运行的土石坝库水位速降时，由于土石坝内部孔隙水压力来不及消散，土石坝内部地下水向上游坡面溢出，从而在坝坡内产生渗透力作用下发生损伤，大大降低了土石坝的安全性和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种库水位骤降下土石坝损伤评价方法，用于对土石坝进行损伤评估，提高土石坝的安全性和使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种该库水位骤降下土石坝损伤评价方法，该库水位骤降下土石坝损伤评价方法包括：

步骤S1、确定土石坝的坝壳饱和渗透系数K。

步骤S2、根据上述坝壳饱和渗透系数K，确定与该坝壳饱和渗透系数K相对应的坝壳材料的给水度μ。

步骤S3、根据坝壳饱和渗透系数K以及给水度μ，确定该土石坝的水位速降指标范围。

步骤S4、根据水位速降指标范围，确定评价目标的降速范围。

步骤S5、根据降速范围，选择任意的N个点作为降速值，计算每一个降速值对应的损伤系数η，以及库水位下降阈值。

步骤S6、根据降速值以及库水位下降阈值，建立降速值、库水位下降阈值以及损伤系数η三者对应关系曲线图。

步骤S7、根据降速值、库水位下降阈值以及损伤系数η三者对应关系曲线图，对评价目标进行损伤评价，其中，N为自然数。

步骤S3中，根据如下公式计算速降指标W：

W＝K/μv，

其中K为坝壳饱和渗透系数；μ为给水度，μ＝0.21；v为降速。

步骤S3中，评价目标的水位降速指标范围为大于1且小于40。

速降范围为大于0.0018cm/s且小于0.07cm/s。

当N为5时，选取的降速值分别为0.002cm/s、0.005cm/s、0.008cm/s、0.02cm/s或0.05cm/s。

在步骤S5包括，

步骤S51、根据土石坝中坝壳、心墙以及坝基分别对应的干密度、溶重、粘结力以及内摩擦角建立坝体模型。

步骤S52、根据建立的坝体模型，确定的坝体模型的原始安全系数Fs₀，评价目标的设计安全系数Fs，以及初始库水位高度。

步骤S53、根据每一个降速值，计算出相应的损伤系数η，以及库水位下降阈值。

步骤S5中，根据如下公式计算降速值对应的损伤系数η：

式中，Fs₀为评价目标原始安全系数，Fs₀＝2.2；Fs为评价目标的设计安全系数，Fs＝1.3；F_si为下降阈值的安全系数。

损伤系数η大于等于0且小于等于30％为轻度损伤，损伤系数η大于30％且小于等于50％为中度损伤，损伤系数η大于50％且小于100％为重度损伤。

本发明的有益效果如下：根据上述库水位骤降下土石坝损伤评价方法可知，根据不同水位速降速率确定其水位下降阈值指标，从而为工程实际运维提供技术参考，减少水位骤降对土石坝坡面的损伤破坏作用，进一步地提高土石坝的安全性和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例库水位骤降下土石坝损伤评价方法的流程图；

图2为本发明实施例中坝体结构图；

图3本发明实施例中损伤系数与水位曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种该库水位骤降下土石坝损伤评价方法，如图1所示，该库水位骤降下土石坝损伤评价方法包括：

步骤S1、选择特定的土石坝作为评价目标，并确定该评价目标的坝壳饱和渗透系数K。

步骤S2、根据确定的坝壳饱和渗透系数K，确定与该坝壳饱和渗透系数相对应的坝壳材料的给水度μ。

步骤S3、根据坝壳饱和渗透系数K以及给水度μ，确定该评价目标的水位速降指标范围。

步骤S4、根据水位速降指标范围，确定评价目标的降速范围。

步骤S5、根据评价目标的降速范围，选择任意的N个点作为降速值，计算每一个降速值对应的损伤系数η，以及库水位下降阈值。

步骤S6、根据降速值以及库水位下降阈值，建立降速值、库水位下降阈值以及损伤系数η三者对应关系曲线图。

步骤S7、根据降速值、库水位下降阈值以及损伤系数η三者对应关系曲线图，对评价目标进行损伤评价，其中，N为自然数。

根据上述库水位骤降下土石坝损伤评价方法可知，根据不同水位速降速率确定其水位下降阈值指标，从而为工程实际运维提供技术参考，减少水位骤降对土石坝坡面的损伤破坏作用，进一步地提高土石坝的安全性和使用寿命。

另外，可根据如下公式计算特定大坝的损伤系数:

其中：η为损伤系数；F_si为某下降水位下的安全系数；Fs₀为原有安全系数；Fs为设计安全系数。

若某一土石坝在非正常工况运行时达到了其的设计安全系数为1.3，则该大坝的损伤程度为100％。另外，取损伤系数η＝50％为中度损伤工况条件，损伤系数η＝30％为轻度损伤工况条件，其损伤级别与安全系数的对应关系如下表1所示。

表1不同程度工况条件下的损伤系数

工况条件安全系数轻度损伤0.7*Fs₀+0.39中度损伤0.5*Fs₀+0.65重度损伤Fs

当蓄水位从高水位下降时，当水位下降至某阈值时，损伤达到30％,则定义该水位为轻度损伤限制水位；同理，当损伤达到50％和100％时，则分别为中度损伤和重度损伤限制水位。根据不同水位速降速率下进行计算，得到土石坝水位控制指标。本申请以138.8米水位为例，研究不同速降指标和水位下的损伤系数，从而为大坝管理维护提供技术参考，减少水位骤降给坝体坡面带来的损伤影响。

为了更清楚地阐述上述方法，下面以大伙房大坝为例进行详细的说明：

首先对大伙房大坝的工程概况进行介绍：如图2坝体结构图所示，大伙房大坝位于辽宁省浑河中上游，是浑河干流上的控制性骨干工程，于1954年4月正式开工，1958年9月竣工。水库按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，可能最大暴雨复核保坝。设计洪水位136.0，最高洪水位138.8m，正常高水位131.5m，防洪限制水位126.4m，总库容设计灌溉面积150万亩。坝体类型为粘土心墙砂壳坝，坝长1367.0m，最大坝高49.2m，坝顶高程139.2m，防浪墙顶高程140.2m，粘土心墙顶高程136.8m，坝顶宽8m。其物理参数如下表2所示。

表2大伙房大坝的物理参数

根据上述物理参数建立相应的土石坝模型，并确定该土石坝模型的原始安全系数Fs₀，评价目标的设计安全系数Fs，以及初始库水位高度。还需确定该土石坝的坝壳渗透系数、给水度以及降速。

依然以大伙房大坝为例，其原始安全系数Fs₀为2.2，设计安全系数Fs为1.3，初始库水位高度为138.8m，坝壳饱和渗透系数为1.5×10^-2cm/s，心墙饱和渗透系数为1.35×10^-8cm/s，同时根据坝壳土的渗透系数可选出该坝壳材料的给水度为0.21。

并且，根据速降指标(k/μv)的范围，可得出降速速度(以下简称降速)的范围，上式中，K为坝壳饱和渗透系数，μ为给水度，v为降速。具体的，若该降速指标在大于1且小于40的范围，则降速v的范围在大于0.0018cm/s且小于0.07cm/s。从该降速范围内，选取5个点作为该大伙房大坝模型的模拟点，分别是，0.002cm/s、0.005cm/s、0.008cm/s、0.02cm/s、0.05cm/s。同时针对不同库水位时，进行水位降落高度与损伤系数之间的关系研究。

需要说明的是，该这个指标能够全面反映土石坝坝体内孔隙水降落速度与水库水位降落速度之间的比值关系。当k/μv→0时，坝体内自由水面在库水位下降过程中几乎不动，孔隙水压力不能消散，水位降落会对土石坝坝坡产生损伤；反之，当k/μv→∞时，自由面下降速度几乎和库水位降落速度相同，水位降落不会对土石坝坝坡产生损伤。

将上述选定的参数输入模型中，如图3所示，得到该大伙房大坝在不同降速下的损伤系数-水位的曲线图。从而对损伤系数进行界定，具体的，损伤系数η大于等于0且小于等于30％为轻度损伤，损伤系数η大于30％且小于等于50％为中度损伤，损伤系数η大于50％且小于100％为重度损伤。

依然以大伙房大坝为例，如下表3所示，基于库水位138.8米为应用案例，将规范规定的安全系数为1.3作为大坝发生严重损伤工况条件，针对不同速降速率进行大坝的损伤评价研究。

表3 138.8米库水位不同损伤工况库水位下降阈值指标

降速(cm/s)轻度损伤(m)中度损伤(m)重度损伤(m)0.002129.64126.16113.860.005130.83127.16114.830.008132.76130.31121.730.02133.20131.51125.360.05136.63135.47131.57

根据上表，可得在5种不同水位速降速率下的三级水位控制指标(下降阈值)：1、轻度损伤控制水位指标为一般控制水位，即降低至该水位时需要停止下降，防止发生轻度损伤；2、中度损伤控制水位指标为严格控制水位，应严格控制一次性降低至该水位线以下；3、重度损伤控制水位则表明，当水位一次性下降至该水位时，会发生破坏风险，如表4所示。以0.02cm/s速降工况为例，应尽量避免将库水位下降至13.63米(轻度损伤控制指标)以下，而严禁将水位一次性降低至135.47米(中度损伤控制指标)以下；当水位一次性降低至131.57米(重度损伤控制指标)时，则表明坝体处于高危状态，应及时发布安全预警。

水位降速越大，损伤越严重。控制库水位的下降高度，可有效减少损伤的发生。因此在实际中，可以通过对库水位进行控制，有效减少坝体坡面损伤的发生。另外，应用水位控制指标对大坝损伤进行控制，建立了满足实际需要的应对策略。该方案一方面可实现水位骤降下坝体坡面累积损伤的最小化，降低大修频率；另一方面实时快捷的查询，可大大精简工程师的工作量，方便现场做出科学决策，提高大坝安全管理的应急水平和指挥效率，在土石坝安全运维管理方面具有极大的应用潜力。

进一步地，为了验证上述分析结果，可通过实际测压管监测数据与模拟结果进行对比验证。

依然以大伙房大坝为例，取该主坝0+500断面测压管监测数据，分别为91.73m，90.86m和90.77m。根据模型计算结果，读取对应测压管分别为91.72m，90.83m和90.75m，如表4所示。拟合结果与实际监测数据对比，最大绝对误差为0.03m，说明渗流参数设置与实际情况基本相符。从而进一步得到上述评价方法的正确性。

表4计算数据与实测监测数据对比

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。