大壩滲流穩(wěn)定及壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

梁峰

（水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

1 概況

樓莊子水庫(kù)是頭屯河上游山區(qū)控制性骨干工程，工程的主要任務(wù)是灌溉、防洪和城市生活及工業(yè)供水，是一座綜合利用的水庫(kù)樞紐工程。水庫(kù)總庫(kù)容為7 374萬(wàn)m3，正常蓄水位為1 394.50 m，死水位1 353.30 m。工程由大壩、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成。大壩為粘土心墻壩，最大壩高82.6 m。

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）的規(guī)定，確定樓莊子水庫(kù)工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。各主要建筑物級(jí)別如下：大壩為2級(jí)建筑物；溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞和引水洞為3級(jí)建筑物；次要建筑物及臨時(shí)建筑物為4級(jí)建筑物。

樓莊子水庫(kù)工程大壩洪水重現(xiàn)期50～100年，非常運(yùn)用洪水重現(xiàn)期1 000～2000年。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，洪峰流量405 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，洪峰流量750 m3/s。壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，大壩抗震設(shè)防類別為乙類。

為確定大壩壩體浸潤(rùn)線及其下游逸出點(diǎn)的位置，通過(guò)繪制壩體及地基內(nèi)的等勢(shì)線分布圖，分析壩體滲流穩(wěn)定[1]；得出壩體與地基滲流量，以估計(jì)水庫(kù)滲漏損失；通過(guò)壩坡出逸段的出逸比降，判斷該處的滲透穩(wěn)定性。并通過(guò)極限平衡分析方法[2]，分析大壩上下游壩坡在不同運(yùn)行工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)壩坡穩(wěn)定進(jìn)行論證[3]。

2 工程布置

樓莊子水庫(kù)工程由粘土心墻壩、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成，樞紐平面布置圖見(jiàn)圖1。樞紐工程擋水建筑物為粘土心墻砂礫石壩，壩軸線按直線布置；粘土心墻壩最大壩高82.6 m，壩頂長(zhǎng)度570.31 m。壩體上游壩坡為1∶2.5，上游壩坡采用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，下游壩坡采用混凝土網(wǎng)格梁填六棱塊，下游坡腳處設(shè)置排水棱體，頂寬2.0 m；壩殼砂礫料與排水棱體之間設(shè)兩層反濾，反濾層厚0.5 m。

圖1 壩體橫斷面圖

壩體結(jié)構(gòu)斷面以粘土心墻防滲體為中心，心墻防滲體上、下游兩側(cè)由內(nèi)向外分別為：粘土心墻防滲體、上下游反濾料、壩殼砂礫料區(qū)、下游排水料區(qū)組成。

粘土心墻防滲體采用正心墻，心墻防滲體軸線位于壩軸線上游，粘土心墻最大底寬50.56 m，屬中厚心墻；心墻反濾料區(qū)為粘土心墻，防滲體上、下游反濾層填筑至心墻頂；壩殼砂礫料區(qū)采用壩址區(qū)儲(chǔ)量豐富的砂礫料；考慮壩殼料的不均勻性，為了加強(qiáng)下游壩體的排水，故設(shè)置排水料區(qū)。

3 壩體計(jì)算

3.1 壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算

分別對(duì)設(shè)計(jì)工況及校核工況下?lián)跛ㄖ锏臐B流穩(wěn)定進(jìn)行分析[4-5]，采用河海大學(xué)編制的《水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》（AutoBANK6.10）計(jì)算；根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），計(jì)算壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行下列水位組合情況：

（1）正常蓄水位（1 394.50 m）與下游相應(yīng)最低水位（1 322.20 m）；

（2）設(shè)計(jì)洪水位（1 397.43 m）與下游相應(yīng)最低水位（1 322.82 m）；

（3）校核洪水位（1 397.63 m）與下游相應(yīng)最低水位（1 323.76 m）。

根據(jù)試驗(yàn)壩殼料、心墻料、基巖滲透系數(shù)取為：壩殼料Ks=3.2×10-2cm/s；心墻Ks=2.3×10-6cm/s；基巖Ks=1×10-4cm/s；帷幕灌漿Ks=1×10-7cm/s；混凝土防滲墻Ks=1×10-7cm/s；砂礫石料的允許水力比降取0.25 。

經(jīng)計(jì)算得出樓莊子水庫(kù)擋水建筑物不同工況下，穩(wěn)定滲流期成果見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)定滲流期計(jì)算結(jié)果表

從表1可以看出：心墻逸出點(diǎn)最大出逸比降1.42，發(fā)生在校核工況。土料在反濾料的保護(hù)情況下，允許滲透比降將會(huì)大大提高；由此說(shuō)明，樓莊子水庫(kù)大壩心墻不會(huì)發(fā)生滲透破壞。經(jīng)提取得出校核工況下壩體滲流等勢(shì)線及浸潤(rùn)線圖見(jiàn)圖2，由表1中數(shù)據(jù)分析看出，大壩下游壩坡的出逸比降均小于允許滲透比降，說(shuō)明粘土心墻壩壩體不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

圖2 校核洪水位壩體滲流等勢(shì)線及侵潤(rùn)線圖

3.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

采用河海大學(xué)編制的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序》（HH-slope）計(jì)算[6-7]，計(jì)算方法采用簡(jiǎn)化畢肖普法，地震情況采用擬靜力法；計(jì)算原理為極限平衡分析方法。通過(guò)分析以往工程經(jīng)驗(yàn)分析，典型計(jì)算工況如下：

（1）正常蓄水位穩(wěn)定滲流期工況；

（2）設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期工況；

（3）施工期工況；

（4）庫(kù)水位驟降工況（由正常蓄水位降至死水位）；

（5）正常蓄水位穩(wěn)定滲流期+地震工況。

壩殼砂礫料及粘土心墻料，分別采用砂礫石料場(chǎng)及粘土料場(chǎng)采樣實(shí)驗(yàn)后的物理特性參數(shù)作為計(jì)算基礎(chǔ)，對(duì)不同工況下，樓莊子水庫(kù)粘土心墻壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算，得出不同工況下，上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)表

從表2中數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，不同計(jì)算工況下，粘土心墻壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值均大于規(guī)范允許值，由此說(shuō)明，不同運(yùn)行工況下，樓莊子水庫(kù)粘土心墻壩上、下游壩坡均是穩(wěn)定的。通過(guò)分析最不利工況，正常蓄水位穩(wěn)定滲流期+地震工況下大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)圖見(jiàn)圖3。

圖3 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期+地震工況上下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文以樓莊子水庫(kù)粘土心墻壩為研究對(duì)象，對(duì)大壩的組成及運(yùn)行安全進(jìn)行計(jì)算分析論證，對(duì)壩體在不同工況下，滲流穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算分析；并對(duì)工程完成后，大壩在不同運(yùn)行工況下，上下游壩坡穩(wěn)定進(jìn)行了分析計(jì)算，通過(guò)分析得出結(jié)論：

經(jīng)不同工況下滲流穩(wěn)定分析對(duì)比，得出壩體心墻及大壩壩體不會(huì)發(fā)生滲透破壞；由壩體上下游壩坡抗滑穩(wěn)定分析得出，粘土心墻壩抗滑穩(wěn)定最不利工況為正常蓄水位+地震工況，此工況下大壩壩體上下游壩坡均能滿足抗滑穩(wěn)定要求。本文所得結(jié)論為大壩穩(wěn)定分析提供理論依據(jù)。