克拉瑪依綠化水庫(kù)滲流及穩(wěn)定計(jì)算分析

張 軍

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

在西北新疆干旱地區(qū)，由于水資源缺乏，對(duì)于引水注入式水庫(kù)，更注重水庫(kù)大壩的滲流量。引水注入式水庫(kù)的水源常通過(guò)長(zhǎng)距離引水渠道、 管線等建筑物輸送，水源變得更為珍貴，水價(jià)也變得更高，滲流量也成為建設(shè)單位關(guān)注點(diǎn)之一。

目前，土石壩滲流及壩坡穩(wěn)定通常采用AutoBANK軟件計(jì)算滲流及壩坡穩(wěn)定。 朱全敏等［1］采用AutoBank 軟件計(jì)算圍堰的滲流及邊坡穩(wěn)定，獲得良好的計(jì)算結(jié)果；吳湘利等［2］運(yùn)用AutoBank 軟件計(jì)算土石壩加固后的滲流及壩坡穩(wěn)定，結(jié)果可行；林淏圣［3］提出AutoBank 軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定應(yīng)注意的問(wèn)題，供邊坡計(jì)算參考；楊學(xué)倩等［4］運(yùn)用AutoBank 軟件建立土石壩計(jì)算斷面，獲得良好計(jì)算結(jié)果；姚煥軍等［5］采用AutoBank 軟件對(duì)水庫(kù)壩肩繞壩滲流進(jìn)行計(jì)算，提出良好處理結(jié)果。 本文克拉瑪依綠化水庫(kù)工程采用AutoBANK軟件計(jì)算大壩的滲流及壩坡穩(wěn)定，為壩體斷面設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

克拉瑪依市綠化水庫(kù)工程承擔(dān)克拉瑪依市中心城區(qū)綠地系統(tǒng)灌溉供水調(diào)節(jié)任務(wù)。 水庫(kù)總庫(kù)容791.1萬(wàn)m3，壩型采用瀝青心墻壩，最大壩高23.5m。為Ⅳ等工程，工程規(guī)模為?。?）型。大壩、節(jié)制進(jìn)水閘及放水洞為4級(jí)建筑物； 綠化水庫(kù)為引水注入式水庫(kù)，水庫(kù)周邊無(wú)洪溝，不考慮洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。 建筑物抗震烈度7°，動(dòng)峰值加速度0.1g。

壩址地面高程350～375m。 表層為砂礫石覆蓋層，厚度1.0～5.0m，下伏砂巖、泥巖。 強(qiáng)風(fēng)化層厚1.0～5.0m，弱風(fēng)化層厚2.0～13.0m，巖體透水率小于5 Lu，界限一般在5～15m。

大壩三面填筑，采用瀝青心墻壩，壩頂高程363.40m。 壩長(zhǎng)2806.44m。 壩頂寬度，6.0m。 上游壩坡1∶2.25，下游壩坡1∶2.0，瀝青混凝土心墻壩主要由防滲心墻、心墻下游過(guò)渡料區(qū)、上、下游壩殼砂礫料區(qū)、下游排水料區(qū)及下游棄土蓋重區(qū)組成。 壩殼砂礫料最大粒徑60mm，小于5mm粒徑含量60.08%，小于0.075mm顆粒含量10.75%，滲透系數(shù)4.9×10-3cm/s，摩擦角31°。

2 壩體滲流計(jì)算

本工程大壩采用河海大學(xué)編制的 《水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》（AutoBANK6.10）進(jìn)行計(jì)算，確定黏土心墻壩體浸潤(rùn)線及其下游逸出點(diǎn)的位置，分析壩體滲流穩(wěn)定； 確定壩體與地基滲流量，以便估計(jì)水庫(kù)滲漏損失；確定壩坡出逸段的出逸比降，判斷該處的滲透穩(wěn)定性。

2.1 計(jì)算方法

大壩二維滲流計(jì)算如式（1）：

其中水頭、流量、自由面邊界條件計(jì)算如式（2）～式（4）：

穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算如式（5）：

式中 kx，ky分別為x，y方向的滲透系數(shù)；H為飽和—非飽和水流總水頭；［K］滲透矩陣。

2.2 計(jì)算工況與參數(shù)

由于本工程為引水注入式水庫(kù)，周邊為無(wú)洪溝，且水庫(kù)任務(wù)單一，根據(jù)規(guī)范SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算工況為： 上游正常蓄水位361.0m，下游相應(yīng)最低水位340.5m。

壩殼料、 心墻料、 基巖滲透系數(shù)采用本次試驗(yàn)值。 根據(jù)試驗(yàn)，滲透系數(shù)?。簤螝ち?Ks=4.9×10-3cm/s；心墻Ks=1.0×10-8cm/s；過(guò)渡料Ks=1×10-3cm/s；帷幕灌漿Ks=1×10-7cm/s；基巖Ks=2.5×10-4cm/s；

2.3 壩體、壩基滲透變形類別

壩體填筑料為東湖東北部料場(chǎng)砂礫石。 按DL/T5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C的方法判別填筑料的滲透變形形式。

據(jù)東湖料場(chǎng)砂礫石顆分資料，該料場(chǎng)砂礫石為連續(xù)繼配土，區(qū)分粗粒和細(xì)粒粒徑的界限粒徑df=砂礫石料場(chǎng)的界限粒徑0.7mm，相對(duì)應(yīng)的Pc為35%，料場(chǎng)對(duì)應(yīng)的為25.65，均大于Pc，所以東湖東北部料場(chǎng)砂礫石料滲透破壞形式主要為管涌型。 依據(jù)地質(zhì)報(bào)告，砂礫石料臨界坡降平均為0.05。 根據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，允許水力以土的臨界水力坡降除以1.5～2.0安全系數(shù)，本工程取2.0安全系數(shù)，因此料場(chǎng)砂礫石的允許水力比降可取0.1，本工程選取允許水力比降為0.1。

3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

壩坡穩(wěn)定采用河海大學(xué)編制的 《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序》（HH-slope）進(jìn)行計(jì)算，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。

采用有效應(yīng)力法時(shí)，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)如式（6）：

采用總應(yīng)力法時(shí)，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)如式（7）：

計(jì)算公式（6）和（7）中各參數(shù)意義見(jiàn)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.2 計(jì)算工況與參數(shù)

由于本工程為引水注入式水庫(kù)，周邊為無(wú)洪溝，且水庫(kù)任務(wù)單一，根據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算工況如下：

（1）正常蓄水位穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡（有效應(yīng)力法）。

（2）施工期上下游壩坡（總應(yīng)力法）。

（3）正常蓄水位穩(wěn)定滲流期+地震的上、下游壩坡（有效應(yīng)力法）。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算材料參數(shù)如表1。

表1 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 滲流計(jì)算結(jié)果分析

正常蓄水位工況滲流等勢(shì)線及侵潤(rùn)線如圖1，壩體穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果如表2。

圖1 正常蓄水位壩體等勢(shì)線及侵潤(rùn)線

表2 穩(wěn)定滲流期計(jì)算結(jié)果

從圖1和表2可以看出，心墻下游出逸點(diǎn)最大比降0.004，小于允許出逸比降，不會(huì)發(fā)生滲透變形而破壞。 下游壩坡出逸點(diǎn)最大比降0.025，小于地基土的允許出逸比降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。瀝青心墻防滲效果較好，滿足規(guī)范要求。

4.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定滲流期及施工期壩坡穩(wěn)定計(jì)算如圖2～圖4，各工況壩體穩(wěn)定滲計(jì)算結(jié)果如表3。

圖2 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定計(jì)算（無(wú)地震）

圖3 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定計(jì)算（Ⅷ度地震）

圖4 施工期上下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)

從圖2～圖4和表3可看出，經(jīng)計(jì)算各種工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值均大于規(guī)范允許值，大壩上、下游壩坡是穩(wěn)定的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)AutoBANK軟件對(duì)綠化水庫(kù)滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算，瀝青心墻下游及下游壩坡出逸點(diǎn)最大比降均小于允許出逸比降，不會(huì)發(fā)生滲透變形而破壞，瀝青心墻防滲效果較好，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。 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，大壩上、下游壩坡是穩(wěn)定的。