龍灣水庫(kù)土壩滲流及穩(wěn)定性分析

(北票市龍?zhí)端畮?kù)管理處，遼寧 北票　122124)

1　概　述

土石壩是運(yùn)用最廣泛的一種壩型，具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)能力強(qiáng)、抗震性能好、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。我國(guó)的土石壩多修建于上世紀(jì)五六十年代，很多未經(jīng)專門勘察和設(shè)計(jì)，加之多采用人挑肩扛、人工碾壓等施工方式，大壩填筑質(zhì)量往往不能滿足要求，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，還存在無(wú)人管理或管理不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，造成很多水庫(kù)成為病險(xiǎn)水庫(kù)。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外土石壩失事案例的統(tǒng)計(jì)，約45%左右的土石壩失事是由滲流破壞造成的[1-5]。因此，在土石壩設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理過(guò)程中，如何進(jìn)行滲流計(jì)算及采取何種防滲措施至關(guān)重要。本文以遼寧省黑山縣龍灣水庫(kù)為例，采用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊，對(duì)大壩穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)及正常運(yùn)行期、水位驟降期的大壩穩(wěn)定性，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，其結(jié)果為該水庫(kù)安全運(yùn)行提供了可靠依據(jù)，也為類似土石壩滲流和穩(wěn)定計(jì)算提供了有益參考。

2　水庫(kù)概況及數(shù)值模型

2.1　水庫(kù)概況

龍灣水庫(kù)位于黑山縣龍灣屯，屬饒陽(yáng)河水系東沙河西支流，大壩以上河段長(zhǎng)約44km，流域面積約320km2。水庫(kù)由1座主壩和4座副壩組成，均為均質(zhì)土壩，主壩全長(zhǎng)724m，壩高18.60m，防浪墻頂高程58.60m；1副壩長(zhǎng)632m，2副壩長(zhǎng)807m，3副壩長(zhǎng)1340m，4副壩長(zhǎng)466m，副壩高6.50～10.60m；該水庫(kù)是一座以防洪灌溉為主、兼顧養(yǎng)魚等功能的中型水庫(kù)。

2.2　數(shù)值模型

2.2.1計(jì)算模型

龍灣水庫(kù)壩體均為均質(zhì)土壩，此次選取壩高較高的主壩中的0+550典型斷面(斷面壩高 16.8m，壩頂寬6m，上游坡坡比為 1∶3，下游坡坡比為 1∶2.5)進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性研究，因主壩壩基為弱透水的風(fēng)化巖，故此次模擬時(shí)不考慮壩基的滲透和穩(wěn)定情況，因此，以迎水坡坡腳作為坐標(biāo)原點(diǎn)，斷面向下游方向?yàn)閄軸正向，斷面向壩頂?shù)你U直方向?yàn)閆軸正向，建立了0+550典型斷面的計(jì)算模型，并采用四邊形單元進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分(見(jiàn)圖1)。上游水頭為第一類邊界，地基為第二類邊界，浸潤(rùn)線為自由表面邊界，逸出點(diǎn)結(jié)合排水形式按自由邊界處理。

2.2.2計(jì)算參數(shù)及工況

根據(jù)壩體土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于數(shù)值計(jì)算的莫爾-庫(kù)侖模型的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　壩體土計(jì)算參數(shù)

根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行情況的分析結(jié)果，此次模擬共選取兩種不同的工況，分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。工況一：正常運(yùn)行期上游水位為13.50m；工況二：非穩(wěn)定滲流場(chǎng)時(shí)，上游水位自初始時(shí)的 13.50m驟降到3.50m，水位下降速度分別為1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d。

3　滲流模擬結(jié)果及分析

3.1　正常運(yùn)行時(shí)

正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算主壩滲流場(chǎng)流線及浸潤(rùn)線、壓力梯度及滲流量(見(jiàn)圖2)。

圖2　正常運(yùn)行時(shí)大壩滲流計(jì)算結(jié)果

由圖2可知，正常運(yùn)行時(shí)大壩滲流流場(chǎng)和浸潤(rùn)線分布較為均勻，滲流符合一般均質(zhì)土壩的滲流流場(chǎng)分布規(guī)律，未見(jiàn)滲流異常，壩體內(nèi)的最大水平滲透坡降為0.45，小于壩體允許水平滲透坡降，產(chǎn)生滲透破壞的可能性不大，浸潤(rùn)線在壩體坡腳排水體內(nèi)出逸，壩坡出逸滲透坡降大于允許滲透坡降，易產(chǎn)生局部滲透破壞。大壩總體滲漏量偏大，穩(wěn)定滲流時(shí)該斷面的滲流量為 8.99×10-2m3/d，對(duì)大壩滲流穩(wěn)定性有一定的影響，會(huì)造成壩體土流失，若形成滲漏通道將危及大壩安全。

3.2　水位驟降時(shí)

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，水位驟降時(shí)主壩上游水位自初始時(shí)的 13.50m驟降到3.50m，水位下降速度分別為1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d，歷時(shí)分別為0d、1d、5d、10d、30d、50d、100d、300d和600d，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　水位驟降時(shí)大壩自由面變化情況

由圖3可知，水位驟降時(shí)，當(dāng)庫(kù)水位下降速度為1.00m/d時(shí)，壩體內(nèi)水的自由面在歷時(shí)較短時(shí)變化劇烈，與上游壩坡近平行，后再向壩內(nèi)偏移，并逐漸穩(wěn)定，壩體內(nèi)的水來(lái)不及排泄，會(huì)出現(xiàn)“倒流”現(xiàn)象，不利于上游壩坡穩(wěn)定；當(dāng)庫(kù)水位下降速度為0.10m/d時(shí)，壩體內(nèi)水的自由面在歷時(shí)較短時(shí)變化平緩，后逐漸趨于穩(wěn)定，“倒流”現(xiàn)象不明顯。無(wú)論何種下降速度，在歷時(shí)較長(zhǎng)時(shí)，自由面變化基本一致。

4　壩體穩(wěn)定模擬結(jié)果及分析

4.1　正常運(yùn)行時(shí)

正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算主壩下游坡和上游坡穩(wěn)定情況(見(jiàn)圖4)。

圖4　正常運(yùn)行時(shí)大壩最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及其圓心位置

由圖4可知，正常運(yùn)行時(shí)大壩下游坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及圓心位于坡腳以上，下游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.48，上游坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及圓心也位于坡腳以上，上游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.53，均大于壩體允許穩(wěn)定安全系數(shù)，因此，上、下游壩坡發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性不大，大壩是安全的。

4.2　水位驟降時(shí)

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，水位驟降時(shí)主壩上游水位自初始時(shí)的 13.50m驟降到3.50m，水位下降速度分別為1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d，歷時(shí)分別為1d、5d、50d和600d，由于計(jì)算圖件較多，此次僅將下降速度為1.00m/d時(shí)的計(jì)算結(jié)果作圖(見(jiàn)圖5)，將全部計(jì)算結(jié)果列表(見(jiàn)表2)。

表2　不同水位下降速度和歷時(shí)的大壩上游坡安全系數(shù)

圖5　水位下降時(shí)大壩上游坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及其圓心位置

由圖5和表2可知，隨著庫(kù)水位下降，上游坡安全系數(shù)是逐漸下降的。歷時(shí)為1d、5d時(shí)，水位下降速度越小，安全系數(shù)越大；歷時(shí)為600d時(shí)，水位下降速度越大，安全系數(shù)越小。水位下降速度為1.00m/d、0.50m/d時(shí)，歷時(shí)5d時(shí)的安全系數(shù)最??；水位下降速度為0.10m/d時(shí)，歷時(shí)50d時(shí)的安全系數(shù)最??；可見(jiàn)隨著下降速度的變小，上游坡的安全系數(shù)在一定歷時(shí)范圍內(nèi)，隨時(shí)間有后移的趨勢(shì)，但歷時(shí)600d時(shí)安全系數(shù)變大，下降速度大時(shí)為同一下降速度時(shí)的最大值。不同水位下降速度，水位剛開(kāi)始下降時(shí)，滑弧的形狀、位置和深度變化不大，下降速度較大時(shí)，易發(fā)生深層滑動(dòng)。

5　結(jié)　論

采用GEO-SLOPE軟件中SLOPE/W模塊，對(duì)大壩穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)及正常運(yùn)行期、水位驟降期的大壩穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：正常運(yùn)行時(shí)壩體內(nèi)的最大水平滲透坡降為0.45，小于壩體允許水平滲透坡降，產(chǎn)生滲透破壞的可能性不大，浸潤(rùn)線在壩體坡腳排水體內(nèi)出逸，壩坡出逸滲透坡降大于允許滲透坡降，斷面的滲流量為 8.99×10-2m3/d；當(dāng)庫(kù)水位下降速度為1.00m/d時(shí)，自由面在歷時(shí)較短時(shí)變化劇烈，與上游壩坡近平行，壩體內(nèi)的水來(lái)不及排泄，會(huì)出現(xiàn)“倒流”現(xiàn)象，當(dāng)庫(kù)水位下降速度為0.10m/d時(shí)，自由面在歷時(shí)較短時(shí)變化平緩，后逐漸趨于穩(wěn)定，在歷時(shí)較長(zhǎng)時(shí)，自由面變化基本一致；正常運(yùn)行時(shí)下游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.48，上游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.53；隨著庫(kù)水位下降，上游坡安全系數(shù)是逐漸下降的，隨著下降速度的變小，上游坡的安全系數(shù)在一定歷時(shí)范圍內(nèi)，隨時(shí)間有后移的趨勢(shì)，但歷時(shí)600d時(shí)安全系數(shù)變大，下降速度大時(shí)為同一下降速度時(shí)的最大值，不同水位下降速度，水位剛開(kāi)始下降時(shí)，滑弧的形狀、位置和深度變化不大，下降速度較大時(shí)，易發(fā)生深層滑動(dòng)。

[1]高超.任莊水庫(kù)大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析[J].中國(guó)水能及電氣化，2016(9):67-70.

[2]賈慧鵬.張峰水庫(kù)大壩滲透系數(shù)反演計(jì)算[J].中國(guó)水能及電氣化，2016(2):62-66.

[3]劉娟奇,王志強(qiáng),梁收運(yùn).庫(kù)水位下降對(duì)新集水庫(kù)均質(zhì)土壩滲流及穩(wěn)定性影響分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2014,12(6):38-43.

[4]周艷,王朝江,王立群,等.喀麥隆曼維萊水電站攔河壩滲流穩(wěn)定分析計(jì)算[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2017,36(3):38-40.

[5]趙明輝,彭清娥,湯雷.某土石壩滲流及穩(wěn)定分析研究[J].西北水電,2017(1):30-34.