病險水庫均質壩加固滲流穩(wěn)定性計算分析

蘇興寬

（吉林省第二松花江防汛機動搶險隊，吉林 吉林 132101）

我國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，同時我國水庫的病險問題也日益凸顯［1］。我國病險水庫不僅數(shù)量龐大，而且分布廣泛［2］。在過去的“十五”期間，我國加大了對大中型病險水庫除險加固的投資力度，大型水庫的病險率已由1999年底的42%下降到14%，中型水庫病險率由41%下降到25%，取得了較好效果［3］。而根據(jù)統(tǒng)計，我國中小型病險水庫數(shù)量達5.74萬座，占總數(shù)量的95.3%。因此，小型病險水庫除險加固是當前我國病險水庫除險加固工作的重點，而準確定量地評估加固后壩體的滲透穩(wěn)定更是水庫除險加固的工作重點［4-6］。

本文以腰石水庫為例，首先分析了大壩目前存在的問題，并提出相應的整治建議，研究了該病險水庫均質壩在加固后的滲流穩(wěn)定情況，重點分析不同工況下壩體滲流場、滲透比降、滲流量、壩坡安全系數(shù)和最不利滑裂面，從而復核大壩整治設計方案的合理性，并為后期壩體的運行管理提供借鑒。

1 工程概述

腰石水庫位于吉林省磐石市煙筒山鎮(zhèn)腰石屯南0.5km，飲馬河支流大力河上游，控制流域面積8.3km2，是一座以防洪、灌溉為主，結合養(yǎng)魚等綜合利用的小型水庫。該水庫是以灌溉為主，兼有防洪等綜合利用的?。?）型水利工程，大壩等主要建筑物為5級建筑物，次要建筑物與臨時建筑物均為5級。該工程壩址以上集雨面積8.3km2，總庫容33.64萬m3，有效庫容25.65萬m3，設計控制灌溉面積26.67hm2。樞紐工程由大壩、溢洪道、取水設施3部分組成。大壩為均質土壩，壩頂高程384.50m，最大壩高12m，壩頂寬2.5m，壩頂長100m。大壩內坡為六棱塊襯砌，雜草叢生；大壩壩頂未硬化，下游未襯護、坡面不規(guī)整。

2 大壩問題分析及整治建議

2.1 現(xiàn)狀調查

通過對水庫大壩進行現(xiàn)場安全檢查，并對大壩工程質量、運行管理、結構安全、滲流安全進行分析評價，對大壩防洪標準、抗震安全進行復核。發(fā)現(xiàn)水庫大壩主要存在以下問題：①大壩上下游壩坡雜草叢生，下游坡面不平整，無周邊排水溝；②大壩下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規(guī)范》相關要求。

2.2 整治建議

針對大壩下游壩坡不穩(wěn)的情況，可采用兩種方案進行處理。

（1）方案1：加寬硬化壩頂，將壩軸線下移，培厚下游壩體。

（2）方案2：對下游壩體進行削坡處理，放緩下游壩坡。

方案2將進一步減少壩頂寬度，對壩頂結構及交通要求不利。故本工程最終采用方案1為大壩加固設計推薦方案。

本次考慮對下游壩坡培厚至1∶1.9，并采用框格梁草皮護坡進行加固處理；加寬壩頂路面至4.5m，重建防浪墻，拆除原下游排水棱體，并新建排水棱體，增設排水溝和下游坡腳混凝土擋墻整治。

3 研究方法

3.1 非飽和滲流有限元理論

根據(jù)達西滲透定律，巖土體非穩(wěn)定滲流場的控制性微分方程可表述為：

式中 ?x， ?y分別為x，y軸方向；kx，ky分別為x，y方向的滲透系數(shù)（m/s）；H為水頭（m）；Q為邊界滲漏量（m3/s）；Mw為水土特征曲線的斜率；γw為水重度，取1000kg/m3。進一步采用（Glerkin）加權余量法，則可推導出有限元滲流方程［7-9］，如式（2）：

式中 τ為單元厚度（m）；A為單元面積（m2）；λ為Mwγw；B為水力梯度矩陣；C為單元導水率矩陣；H為水頭向量；N為插值函數(shù)向量；q為單元邊界單位滲流量（m3/s）；L為單元邊長（m）。

3.2 塊體極限平衡法

壩體的穩(wěn)定性計算主要考慮水位以上坡體的滲流壓力，而水位以下部分，將坡面以上水體視為一種有重度無強度的特殊材料，根據(jù)該思路本次壩坡穩(wěn)定計算采用Bishop簡化條分法［10］。

結合大壩工程地質條件，采用GeoStudio軟件計算分析庫水位在不同水位時壩體內瞬時浸潤線，并將計算結果導入邊坡穩(wěn)定性計算模塊中，運用塊體極限平衡法進行穩(wěn)定性計算，即可獲得大壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)與水位變動速率條件、水位高度與時間的相互關系［11］。結合現(xiàn)場取樣及室內土體試驗報告，壩體二維滲流計算主要物理力學參數(shù)如表1。

表1 壩體材料主要物理力學參數(shù)

3.3 計算工況

3.3.1 滲流分析計算工況

根據(jù)SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定，滲流計算應考慮水庫運行中的各種不利組合，并結合水庫的水位特征和運行情況，對各種水位情況下做了穩(wěn)定滲流計算和非穩(wěn)定滲流計算。其滲流計算工況如下：

（1）上游正常蓄水位與相應下游水位。（2）上游設計洪水位與相應下游水位。（3）上游校核洪水位與相應下游水位。（4）上游校核洪水位降至正常水位。

（5）上游正常蓄水位降至死水位。

由于大壩下游為養(yǎng)殖魚塘，下游水位高程均采用373.10m。大壩正常蓄水位382.00m，設計洪水位382.98m，校核水位383.44m，死水位375.66m。

3.3.2 壩坡穩(wěn)定分析計算工況

本工程區(qū)地震烈度為6°，不考慮地震。計算工況包括正常運用條件及非常運用條件。各計算工況如下：

3.3.2.1 正常運用條件

（1）工況1：由正常蓄水位形成穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡。

（2）工況2：設計洪水位形成穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡。

（3）工況3：校核水位形成穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡。

3.3.2.2 非正常運用條件

（1）工況4：由校核水位驟降至正常蓄水位形成非穩(wěn)定滲流期的上游壩坡。

（2）工況5：由正常蓄水位驟降至死水位形成非穩(wěn)定滲流期的上游壩坡。

根據(jù)實際臥管的最大放水速率，選取庫水位驟降速率為1.5m/d。

4 大壩滲流穩(wěn)定分析

4.1 滲流

圖1為整治后的腰石水庫大壩在5種運行工況下的浸潤線分布。分析可知：在正常蓄水位、設計洪水位和校核水位3種工況下，壩體形成穩(wěn)定滲流，浸潤線均通過排水棱體迅速降低，并排至下游魚塘。在2種驟降工況下，由校核水位驟降至正常蓄水位形成非穩(wěn)定滲流時，各時間段內浸潤線均在上游位置最高，說明此時壩體內“退水”較快，與水位下降基本保持同步，而在正常蓄水位驟降至死水位形成非穩(wěn)定滲流時，在驟降過程中壩體內的浸潤線明顯高于上游水位，說明此時壩體內“退水”慢，壩體內水相對于庫水位下降更慢，上游部位的壩體土處于非飽和狀態(tài)，孔隙水壓力較大，根據(jù)有效應力原理可知，這將對上游壩坡穩(wěn)定產生不利影響。

圖1 水庫大壩各工況壩體浸潤線分布

表2為整治后的腰石水庫大壩不同運行工況下的壩體滲漏量及滲透比降，分析可知：上游水位越高，壩體單寬滲流量越大（校核洪水位時為5.32×10-7m3/s），滲透比降也越大，在校核洪水位時滲透比降最大為0.51，但均小于試驗允許值0.62，故認為整治后的腰石大壩不會發(fā)生滲透破壞。

表2 滲流量及滲透比降計算成果

4.2 壩坡穩(wěn)定分析

根據(jù)上述對不同工況下大壩體的滲流計算結果，進一步計算了對應工況的上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)及不利滑裂面，如圖2。分析可知，5種工況下大壩的上、下游最不利滑裂面基本相同，其中上游壩坡滑裂面起于下游坡面頂部，從上游坡腳剪出，而下游壩坡滑裂面起于上游坡面上部，從下游坡腳剪出。

圖2 水庫大壩各工況壩體抗滑穩(wěn)定計算結果

從表3可知，在壩體形成穩(wěn)定滲流時，隨著庫水位的升高，上游壩坡安全系數(shù)逐漸增大，而下游壩坡有逐漸減小的趨勢。當壩體在非穩(wěn)定滲流工況（庫水位驟降）時，上游壩坡安全系數(shù)出現(xiàn)驟降，其中校核水位驟降至正常蓄水位（工況4）安全系數(shù)為1.592，而正常蓄水位驟降至死水位時 （工況5）安全系數(shù)僅1.123，說明此時上游壩坡穩(wěn)定性最差。但各工況下大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范最低要求值，說明整治后的大壩壩坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表3 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)計

5 結語

（1）在正常蓄水位驟降至死水位形成非穩(wěn)定滲流時，壩體內的浸潤線明顯高于上游水位，上游部位的壩體土處于非飽和狀態(tài)，對上游壩坡穩(wěn)定不利。

（2）各工況下大壩的滲透比降均小于允許值0.62，整治后的大壩不會發(fā)生滲透破壞。

（3）當壩體形成穩(wěn)定滲流時，庫水位升高使上游壩坡安全系數(shù)明顯增大，同時下游壩坡安全系數(shù)逐漸減小。

（4）不同水位下降速率時壩體的最不利滑裂面基本相同，庫水位下降速率和上游水位高程對大壩上、下游壩坡滑裂面的分布沒有影響。

（5）正常蓄水位驟降至死水位時上游壩坡安全系數(shù)僅為1.123，此時壩坡穩(wěn)定性最差。各工況下大壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范最低要求值，說明整治后的大壩壩坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

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