關(guān)于水庫壩體滲流與壩坡穩(wěn)定的研究

陳丹蕾 魏海 金格飛

摘要：在我國水利事業(yè)的持續(xù)發(fā)展下，先后在眾多水利工程中修建土石壩，而為了能夠有效掌握土石壩的具體安全性能、客觀評估其質(zhì)量水平，需要對土石壩進行壩體滲流以及壩坡穩(wěn)定分析。從而及時了解其中可能存在的安全隱患，采取相應(yīng)措施積極處理，以避免影響大壩的安全運行。在這一背景下，本文將以某水庫工程項目為例，著重圍繞水庫壩體滲流以及壩坡穩(wěn)定性進行簡要分析研究。

Abstract： Under the continuous development of China's water conservancy industry， earth-rock dams have been built in many water conservancy projects. In order to effectively grasp the specific safety performance of earth-rock dams and objectively evaluate their quality levels， it is necessary to analyze the dam body seepage and dam slope stability of earth-rock dams， then timely understand the possible safety hazards and take corresponding measures to actively deal with it and ensure the safe operation of the dam. In this context， this paper takes a reservoir project as an example and studies the seepage of the reservoir dam and the stability of the dam slope.

關(guān)鍵詞：水庫；壩體滲流；壩坡穩(wěn)定

Key words： reservoir；dam seepage；dam slope stability

中圖分類號：TV541 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0253-02

1 水庫壩體工程概況

本研究通過選擇以某水庫工程項目為例，該水庫控制流域面積超過500km2，總庫容將近1.4億m3，不僅具有防洪防澇以及提供充足水源的重要功能，同時也具有養(yǎng)魚等其他效益。水庫正常蓄水位在140m，相應(yīng)庫容超過4000萬m3，該水庫工程的主要構(gòu)成包括主、副壩、溢洪道以及輸水洞等工程。其中水庫壩體主要采用的是粘土心墻沙殼壩，壩高最大值超過23m，壩頂為長度大約在700m的混凝土路面，壩頂?shù)膶挾纫约案叱谭謩e為6m和148m，粘土心墻頂高程與寬度則分別為146m以及4m。上、下游壩坡雖然壩坡坡比不盡相同，但均在137m高程位置處分別設(shè)置了長度為2m以及1.5m的馬道，坡面分別采用厚度為0.85m以及0.35m的大塊石護坡和碎石護坡[1]。而在壩殼的上部和下部則分別使用了砂礫石填料以及粉質(zhì)粘土。

2 水庫壩體滲流穩(wěn)定分析

2.1 計算工況與計算參數(shù)

通過查閱有關(guān)該水庫的各項資料，可知其校核洪水位下，庫水位為146.38m，設(shè)計洪水位工況下，庫水位為143.88m，而在死水位工況下庫水位則為133m。各水位對應(yīng)的下游水深一律為零，此次在對水庫壩體滲流穩(wěn)定進行分析計算的過程中，不考慮下游有水情況。在結(jié)合相關(guān)水庫資料后，可以了解到其上下游壤土的滲透系數(shù)分別為1×10-5以及2×10-4cm/s，上下游壩殼砂礫料的滲透系數(shù)則均為3×10-3cm/s，粘土心墻與砂礫石覆蓋層的滲透系數(shù)分別為5.9×10-6以及5×10-2cm/s；混凝土結(jié)構(gòu)和新鮮基巖的滲透結(jié)構(gòu)大致相等，另外該水庫壩體中斜臥式排水體同壩基防滲帷幕的滲透系數(shù)則分別為0.1以及1×10-6cm/s[2]。為方便后續(xù)的計算分析，本文所指的壩體材料滲透系數(shù)統(tǒng)一為飽和滲透系數(shù)，并且均為恒定值。如果土體當中同時存在飽和與非飽和區(qū)域，則需要在正負壓力值范圍一定的情況下，合理選定相應(yīng)的滲透系數(shù)用以對各個飽和度的變化情況進行真實反映。

2.2 計算方法與計算結(jié)果

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》可知，在計算無排水情況時需要使用如下公式確定浸潤線：

在這一公式當中，上下游水位差用H進行表示，m1代表著上游壩坡坡度系數(shù)，上游水位入滲點距下游壩坡坡腳點用L表示。在確定滲流量時則需要使用公式：

在該公式當中，壩體和壩基的滲透系數(shù)用K進行表示，并且只有當時才能成立，h則代表著下游邊坡上的出逸高度，S代表著滲流面積。通過計算可知校核洪水位與設(shè)計洪水位工況下，其滲流量分別為0.855以及0.687m3/d，正常蓄水位以及死水位工況下的滲流量則分別為0.533和0.257m3/d[3]。

在對相關(guān)計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析下，可知上游壤土當中存在部分壩體水頭消減的情況，相比于庫水位，心墻前部出現(xiàn)小幅跌落的情況，因此面上上游壤土滲透系數(shù)相對較低，與心墻粘土的距離較近。此外，心墻內(nèi)部浸潤線出現(xiàn)了一定的跌落情況，但由于心墻粘土可以實現(xiàn)對上游壤土內(nèi)細顆粒進行截留，因此并不會對整體大壩防滲體系的安全性產(chǎn)生破壞性影響。斷面下游砂礫料中浸潤線基本水平，這也意味著分布在壩基位置處的砂礫石覆蓋層在一定程度上可以有效幫助水庫壩體完成排滲，進而使得壩體下游側(cè)浸潤線明顯降低。從滲流量角度來看，當水位不斷降低時，斷面計算的單寬滲流量也會逐漸減小，而通過將帷幕灌漿設(shè)置在壩基位置處，則在灌漿之后能夠有效減小單寬滲流量，從而提高水庫壩基的穩(wěn)定性。此外，根據(jù)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在高水位工況下愛，心墻下部混凝土齒墻位置處的水平和垂直滲透坡降能分別大約為10和2，但通過參考國家相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求可知，一般粘土允許滲透坡降在5到10的范圍內(nèi)。因而證明該水庫大壩工程在高水位工況時，心墻下部出現(xiàn)滲透破壞的可能性極大，無法有效與相關(guān)規(guī)范要求相吻合。而其他位置的滲透坡能比較小，尤其是分布在下游壩基位置處的砂礫石覆蓋層可以有效起到排水作用，從而可以大大減小逸出處滲透坡降，確保與規(guī)范要求相吻合。

3 水庫壩坡穩(wěn)定分析

3.1 計算工況與計算參數(shù)

在分析水庫壩坡穩(wěn)定性時，需要重點考慮包括設(shè)計洪水位、正常蓄水位以及死水位在內(nèi)的正常運用條件以及兩種非常運用條件，分別為非常運用條件I以及非常運用條件II。其中前者中的工況不僅包括校核洪水為及其降至設(shè)計水位，同時還包括正常水位分別降至136m以及死水位，設(shè)計水位分別降至正常水位以及136m。在非常運用條件II中則需要對地震情況下設(shè)計水位、死水位以及正常蓄水位進行充分考慮。該水庫壩體工程項目的設(shè)計地震烈度為VII度，通過采用專門的仿真軟件在土體當中利用慣性力的形式施加一定地震動效應(yīng)，從而用于對地震作用下壩坡穩(wěn)定性進行分析。將VII度地震水平和豎直擬靜力加速度分別設(shè)定為0.1g以及0.067g，邊坡穩(wěn)定程度在很大程度上會受到水平慣性地震力的影響。即便地震系數(shù)相對較小，同樣也可以在一定程度上起到降低邊坡安全系數(shù)的效果。

通過結(jié)合該項目工程地質(zhì)勘查報告，可以了解到大壩上下游壤土的土重度、凝聚力分別為20與20.48kN/m3，

13.13與13.88kPa，二者的摩擦角則均為20°。粘土心墻的土重度、凝聚力和摩擦角則分別為19.98kN/m3、25kPa和22°。而上下游壩殼砂礫料的凝聚力均為0，其土重度統(tǒng)一為20.99kN/m3，摩擦角均為38.5°。砂礫石覆蓋層的凝聚力和摩擦角與上下游壩殼砂礫料完全一致，但其土重度則僅為19.57kN/m3，混凝土結(jié)構(gòu)的土重度、凝聚力以及摩擦角則分別為24kN/m3、100kPa和40°。

3.2 安全系數(shù)標準

通過結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》可知在工程等級為1時，正常運用條件以及兩種非常運用條件下，規(guī)定壩坡最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)當分別為1.5、1.3以及1.2，工程等級為2時，三種運用條件下壩坡最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)需分別達到1.35、1.25以及1.15。工程等級為3時，正常運用條件、非常運用條件I以及非常運用條件II下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)應(yīng)當分別為1.3、1.2和1.15。在工程等級為4和5時，其不同運行條件下對應(yīng)的壩坡最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)當分別為1.25、1.15以及1.1。由于該水庫大壩工程項目中，大壩為2級建筑物，因此其需要參考工程等級為2時規(guī)定的安全系數(shù)標準。

3.3 計算結(jié)果分析

以該水庫大壩當中的某一斷面壩坡為例進行抗滑穩(wěn)定分析計算，得知在正常運用條件下，也就是設(shè)計洪水位為143.88m時，上下游壩坡的計算安全系數(shù)分別為2.363與1.713，正常蓄水位和死水位分別為140m與133m時，上游壩坡的計算安全系數(shù)分別為1.924與1.903，均超過規(guī)定安全系數(shù)1.35，因而具有較高的壩坡抗滑穩(wěn)定性。在遇到地震情況時，對應(yīng)著設(shè)計洪水位的上下游壩坡計算安全系數(shù)分別為1.677與1.356，與正常蓄水位和死水位相對應(yīng)的上游壩坡計算安全系數(shù)則分別為1.514與1.314。而在該運用條件下，要求安全系數(shù)為1.15，因此同樣表明此時該斷面壩坡具有良好的抗滑穩(wěn)定性。在另一種非常運用條件下，校核洪水位為146.38m時，計算得到的下游壩坡安全系數(shù)為1.728[4]。當設(shè)計水位與正常蓄水位分別降至136m時，與之相對應(yīng)的上游壩坡計算安全系數(shù)則分別為1.223與1.519；當設(shè)計水位降至正常水位，正常蓄水位降至死水位時，對應(yīng)的上游壩坡計算安全系數(shù)分別為1.571和1.273，在校核水位降至設(shè)計水位時，上游壩坡的計算安全系數(shù)則為1.836。由于在這一運用條件下，規(guī)定的安全系數(shù)為1.25，因此總體來看該斷面壩坡的穩(wěn)定性與規(guī)定標準要求基本相符。

但值得注意的是，當設(shè)計洪水位降至溢洪道堰頂高程時，其穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)定安全系數(shù)要求，因此需要工作人員及時參考工程實際情況加固上游壩坡，以有效保障壩體的安全、穩(wěn)定運行。此外，在對水庫壩坡穩(wěn)定性進行分析的過程中，通過整合相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)可知高水位工況下，心墻下部位置處的水平滲透坡降比較高，出現(xiàn)滲透破壞性影響的可能性較大，因此同樣需要相關(guān)工作人員及時做好防滲加固處理。

4 結(jié)束語

本文通過對某水庫壩體滲流以及壩坡穩(wěn)定性進行分析，通過根據(jù)得到的計算結(jié)果可知，分布在壩基位置處的砂礫石覆蓋層能夠在一定程度上起到排滲作用。而針對壩基未灌漿區(qū)域，則需要積極結(jié)合實際情況與工程條件對壩基滲流條件進行有效改善。而在高水位工況下，心墻下部水平滲透坡降超出規(guī)定標準要求，極有可能產(chǎn)生滲透破壞，因而建議相關(guān)工作人員及時進行防滲加固。在不同控制工況下計算得到的單寬滲流量最小值為0.257m3/天，最大值為0.855m3/天，雖然從整體上來看壩坡具有良好的抗滑穩(wěn)定性。但當設(shè)計洪水位降至溢洪道堰頂高程時，其穩(wěn)定安全系數(shù)并不符合規(guī)定安全系數(shù)要求，因而相關(guān)工作人員還應(yīng)及時對上游壩坡進行加固處理，以避免影響后續(xù)水庫大壩的正常運行。另外，由于受到篇幅限制以及筆者自身學(xué)識限制，在此次研究中只針對土石壩滲流工況，并未對壩體內(nèi)部材料的均勻程度以及壩體護坡滲流等其他工況進行充分考慮，因此研究也具有一定的局限性，還需在日后進行進一步深入分析。

參考文獻：

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[3]唐超.路俄水庫土石壩滲流與穩(wěn)定分析[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.