桎木水庫大壩滲流與穩(wěn)定分析

羅澤旻

（婁底市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院　婁底市　417000）

桎木水庫大壩滲流與穩(wěn)定分析

羅澤旻

（婁底市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院婁底市417000）

滲流安全是大壩穩(wěn)定的保證，沒有滲流安全就沒有大壩安全。文章通過對(duì)桎木水庫大壩最大壩高處斷面進(jìn)行滲流及壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算，其結(jié)果為水庫大壩壩身與壩基處理提供依據(jù)，采取相應(yīng)措施進(jìn)行滲流控制。

桎木水庫土壩滲流分析壩坡穩(wěn)定分析

1 工程概況

桎木水庫位于婁底市婁星區(qū)茶元鎮(zhèn)桎木村，處于湘江水系漣水河支流檀山灣河春溪上游，北依桎木大山、南傍槐柳山。水庫大壩控制集雨面積3km2（其中外引0.8km2），由引水渠控制引水。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程180.50m，最大壩高25.5m，壩頂軸長(zhǎng)280m，最大壩底寬度129.6m，壩頂寬度3.8 m。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵管等組成，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚及季節(jié)性供水等綜合利用的?。↖）型水利工程。

在水庫運(yùn)行過程中，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，存在如下問題：①大壩散浸嚴(yán)重；②大壩接觸面滲漏嚴(yán)重，同時(shí)存在壩基滲漏和左右岸壩端繞壩滲漏。

2 大壩滲流分析

2.1計(jì)算斷面的確定

大壩滲流計(jì)算斷面為大壩最大壩高斷面，該斷包含該壩址處所有地質(zhì)情況，具有較為可靠的地質(zhì)鉆孔資料和土工試驗(yàn)結(jié)果，因此將該斷面作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算分析。其計(jì)算斷面形狀見圖1。

2.2滲透指標(biāo)的確定

本次計(jì)算斷面的滲透分區(qū)主要根據(jù)地質(zhì)勘探的結(jié)果，按照現(xiàn)場(chǎng)所取原狀樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)，綜合大壩建設(shè)和運(yùn)行管理情況，將大壩計(jì)算斷面劃分為5個(gè)滲透分區(qū)，滲透分區(qū)情況見圖1，各滲透分區(qū)材料的水平、垂直滲透系數(shù)見表1（水平滲透系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)確定，垂直滲透系數(shù)參照水平滲透系數(shù)根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)確定），給水度μ計(jì)算公式如下：

μ=1.137n（0.0001175）0.60/（°）

式中μ——給水度；

n——孔隙率。

表1　桎木水庫大壩計(jì)算斷面滲透分區(qū)指標(biāo)

2.3計(jì)算程序說明

本次大壩滲流計(jì)算分析采用南京水科院的二維非穩(wěn)定滲流及壩坡穩(wěn)定分析有限單元法程序UNSST2（UnsteadySeepageandStability）。

2.4滲流計(jì)算

2.4.1滲流計(jì)算工況的確定

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）第7.1.2條規(guī)定：滲流計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮水庫運(yùn)行出現(xiàn)的各種不利條件。本次滲流計(jì)算分析按以下工況進(jìn)行：

①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；②上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位；③上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；④上游為1/3壩高水位與下游相應(yīng)的水位；⑤庫水位驟降時(shí)，對(duì)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

2.4.2穩(wěn)定滲流計(jì)算內(nèi)容及結(jié)果

本次穩(wěn)定滲流計(jì)算按正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及1/3壩高水位等四種控制水位進(jìn)行復(fù)核、分析，其計(jì)算結(jié)果及滲流運(yùn)行狀況見圖2。

圖2　穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果及滲流運(yùn)行狀況

2.4.3非穩(wěn)定滲流計(jì)算內(nèi)容及結(jié)果

（1）降水曲線的確定。

假設(shè)時(shí)段內(nèi)無降雨，輸水涵洞以允許最大流量快速往下游宣泄庫水。將庫水位降落期分成6個(gè)時(shí)段進(jìn)行非穩(wěn)定滲流計(jì)算，各時(shí)段的上游水位值及相應(yīng)的時(shí)間間隔見表2。

（2）非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果。

本次非穩(wěn)定滲流計(jì)算按以下兩種工況進(jìn)行分析：

工況1：水庫水位自正常蓄水位178.50m驟降至死水位，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m；滲流運(yùn)行狀況見圖3。

表2　桎木水庫大壩非穩(wěn)定滲流計(jì)算時(shí)段及水位

圖3　工況1滲流運(yùn)行狀況

工況2：水庫水位自校核洪水位179.71m驟降至死水位，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m；滲流運(yùn)行狀況見圖4。

圖4　工況2滲流運(yùn)行狀況

（3）計(jì)算成果分析。

壩坡滲出點(diǎn)的臨界滲透坡降可按下式計(jì)算：

式中γ——水容重，取γ=10KN/m3；

γ′1——壩體填土的浮容重，取γ′1=18.7KN/m3；

C——壩體填土的凝聚力；

Φ——壩體填土的內(nèi)摩擦角；

β——下游坡腳。

計(jì)算成果見表3。

3 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定分析

3.1分析方法及計(jì)算程序說明

由于大壩為均質(zhì)土壩，大壩壩坡整體穩(wěn)定分析可根據(jù)《土工原理與計(jì)算》、《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》采用簡(jiǎn)化畢肖普法或瑞典圓弧法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。本次壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用北京水科院陳祖煜同志編的《STAB1》壩坡穩(wěn)定分析程序微機(jī)版，該程序可以進(jìn)行土石壩和土坡的施工竣工期、穩(wěn)定滲流期、庫水位降落期的有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法分析?！禨TAB1》程序可以同時(shí)用畢肖普法、瑞典圓弧法、改良瑞典圓弧法（羅厄法和美國工程師兵團(tuán)法）算出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，安全系數(shù)分別用AB1、AB、AB3、AB4表示，并找出相應(yīng)于瑞典圓弧法的最小安全系數(shù)及其相應(yīng)的圓弧滑裂面的位置。

表3　桎木水庫大壩最大斷面滲流計(jì)算成果表

3.2計(jì)算斷面及參數(shù)指標(biāo)的確定

大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算斷面同滲流分析計(jì)算斷面。計(jì)算斷面根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，按照現(xiàn)場(chǎng)所取原狀樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)及鉆孔柱狀圖，綜合大壩建設(shè)和運(yùn)行管理情況確定穩(wěn)定計(jì)算各材料的分區(qū)及指標(biāo)，各材料分區(qū)各種物理力學(xué)指標(biāo)見表4。

表4　桎木水庫大壩計(jì)算斷面穩(wěn)定計(jì)算材料分區(qū)指標(biāo)

3.3壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算內(nèi)容及結(jié)果

3.3.1壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況的確定

依照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL278-2001）的要求和桎木水庫實(shí)際運(yùn)用情況，對(duì)斷面抗滑穩(wěn)定分別進(jìn)行了下列工況的計(jì)算：①穩(wěn)定滲流期的下游壩坡；②水庫水位驟降期的上游壩坡。

（1）正常運(yùn)行分三種情況

①正常蓄水位178.50m下形成穩(wěn)定滲流時(shí)的下游壩坡穩(wěn)定；下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計(jì)算結(jié)果見圖5（a）；②設(shè)計(jì)洪水位179.41 m下形成穩(wěn)定滲流時(shí)的下游壩坡穩(wěn)定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計(jì)算結(jié)果見圖5（b）；③庫水位為1/3壩高水位164.50m下形成穩(wěn)定滲流時(shí)上游壩坡穩(wěn)定；下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計(jì)算結(jié)果見圖5（c）。

圖5　正常運(yùn)行三種情況

（2）非正常運(yùn)行分三種情況

①校核水位179.71m下有可能形成穩(wěn)定滲流時(shí)的下游壩坡穩(wěn)定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計(jì)算結(jié)果見圖6（a）；②水庫水位自正常蓄水位178.50m驟降至死水位時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計(jì)算結(jié)果見圖6（b）；③水庫水位自校核洪水位179.71m驟降至死水位時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計(jì)算結(jié)果見圖6（c）。

3.3.2計(jì)算結(jié)果

計(jì)算成果見表5。

圖6　非正常運(yùn)行三種情況

由以上計(jì)算結(jié)果可知：正常運(yùn)行情況下，上游水位為正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，下游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，壩坡不能滿足穩(wěn)定要求；校核洪水位時(shí)，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)略大于規(guī)范要求；庫水位為1/3壩高時(shí)上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。非常情況下庫水位自正常水位和校核水位驟降至死水位時(shí)上游坡處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，其最小安全系數(shù)分別為1.252和1.226，大于規(guī)范允許值。因此，在各運(yùn)行工況下，桎木水庫大壩下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)桎木水庫大壩典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，得出在各特征水位下壩體浸潤(rùn)線圖、單位壩段恒定滲流量及下游壩坡的溢出坡降。由于大壩壩體填筑質(zhì)量差，透水性較大，穩(wěn)定滲流情況下大壩內(nèi)浸潤(rùn)線較高。但該斷面滲流計(jì)算結(jié)果表明大壩壩體內(nèi)部穩(wěn)定滲流最大滲透坡降值極值為0.40，非穩(wěn)定滲流最大滲透坡降值極值為0.30，發(fā)生位置均為壩體內(nèi)部，其值都小于允許滲透坡降，因此，大壩壩體不存在局部滲透破壞的可能性。在滲流計(jì)算分析結(jié)果下進(jìn)行大壩穩(wěn)定分析計(jì)算，得出大壩在正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，下游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，壩坡不能滿足穩(wěn)定要求，因此，在水庫除險(xiǎn)加固中，要積極采取防滲措施對(duì)壩身和壩基進(jìn)行滲流控制，以保障大壩穩(wěn)定安全。

表5　桎木水庫大壩最大斷面壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

［1］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［2］中華人民共和國水利部.碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［3］劉杰，武建萍，高麗梅.水庫除險(xiǎn)加固后大壩的滲流穩(wěn)定分析［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2010，（01）：57.

羅澤旻（1979-），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)工作，手機(jī)：13507381211。

（2016-08-03）