荷村水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

潘福堅

(佛山市高明區(qū)荷城街道水利所，廣東 佛山 528500)

0 引 言

水庫大壩是一種常見的水利工程建筑物，起到的作用主要是調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)水流，如雨季攔截山洪、旱季蓄水儲存。我國現(xiàn)存的水庫中有很多存在著年久失修，工程老化的問題，其中最顯著也最頻繁出現(xiàn)的問題就是水庫大壩滲流與穩(wěn)定的問題，這些存在著問題的病險水庫不但不能發(fā)揮原有的發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟的作用，還可能對人民的生命財產(chǎn)安全造成威脅。郭家朋以龍井水庫大壩為例，運用有限單元法對黏土心墻壩的滲流進(jìn)行分析計算，同時運用瑞典圓弧滑動法和簡化Bishop法對黏土心墻壩的壩體穩(wěn)定進(jìn)行分析計算，并在此基礎(chǔ)上對水庫大壩進(jìn)行了滲流安全評價和穩(wěn)定性安全評價[1]。胡強根據(jù)湖南省仙嶺水庫的地質(zhì)勘探資料，利用有限元進(jìn)行計算分析，分析了大壩存在的滲漏和滲透變形問題，并提出了除險加固的措施[2]。趙曉西根據(jù)基本方程及定解條件的比較分析，將 ANSYS 軟件的溫度場分析功能應(yīng)用于滲流場的分析，利用 APDL 語言實現(xiàn)了滲流參數(shù)化建模，采用死活單元技術(shù)，解決了黃壁莊水庫土壩滲流穩(wěn)定問題，為今后該大壩的工程管理及安全提供了理論依據(jù)[3]。馮霄采用GeoStudio軟件的滲流分析模塊SEEP/W和壩坡穩(wěn)定分析模塊SLOPE/W，對某水庫土石壩除險加固設(shè)計進(jìn)行滲流穩(wěn)定復(fù)核，得到大壩上、下游壩坡在不同工況條件下的最小安全系數(shù)[4]。胡祖鋒通過對水庫除險加固工程設(shè)計中的大壩加固設(shè)計進(jìn)行深入分析，以大壩地質(zhì)條件比較復(fù)雜的最大壩高斷面進(jìn)行滲流計算，并對壩坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計算，為其他土壩的滲流及穩(wěn)定安全分析提供了可借鑒的資料[5]。閆澎旺針對白石水庫土壩的復(fù)雜滲流條件編制了有限元程序，在計算中提出了棄單元法算法，用有限元方法對滲流量進(jìn)行了計算，分析了實測水位和理論計算水位有較大差別的原因并提出相應(yīng)的滲流穩(wěn)定措施[6]。劉曉麗以某煤礦分布式地下水庫建設(shè)為例，根據(jù)礦井開采區(qū)的地質(zhì)資料，建立分布式地下水庫的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，預(yù)測礦區(qū)的涌水量，結(jié)果與實測基本一致[7]。盛金保根據(jù)安徽沙河集水庫近年來的滲流原始資料，對大壩滲流現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在目前限制水位運行條件下，大壩滲流狀態(tài)基本上是安全的，但也存在一些滲漏隱患，建議采取必要的工程措施消除上述對滲流安全不利的因素，同時應(yīng)改造、完善大壩滲流安全監(jiān)測設(shè)施[8]。李志鋒通過滲流有限元計算分析，評價了眠羊地水庫大壩的滲流安全情況，發(fā)現(xiàn)：大壩壩基滲流出口的滲透穩(wěn)定性不安全，壩體存在較嚴(yán)重的滲流隱患，滲流安全性為C級[9]。趙鑫為研究壩體加固對滲透水壓的影響，采用有限元法對除險加固前、后的壩體進(jìn)行滲透坡降、單寬滲流量、準(zhǔn)流網(wǎng)等計算，分析3種工況下的滲流過程，為土石壩的除險加固設(shè)計提供參考[10]。文章所做的計算分析主要有水庫大壩滲流與穩(wěn)定兩個方面，還對水庫大壩的安全性做出了評價。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

荷村水庫區(qū)地形起伏不大，沖溝較發(fā)育，地下水類型主要為第四系松散堆積物中的孔隙水和基巖裂隙水?？紫端饕x存于第四系松散堆積物中，含水量動態(tài)變化明顯，主要受大氣降水補給，下滲補給裂隙含水巖組，或向附近溝谷排泄?；鶐r裂隙水主要賦存于巖體裂隙中，基本不含水，受裂隙發(fā)育程度和裂隙張開充填情況控制，由第四系孔隙水及大氣降水補給，向坡腳溝谷排泄。

水庫庫區(qū)屬剝蝕—侵蝕丘陵地貌。庫區(qū)內(nèi)的地層為第四系(Q4)松散堆積層、侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3sn)泥巖夾多層粉砂巖、砂巖與侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)粉砂巖、砂巖與泥巖互層。庫區(qū)及附近未見較大斷層及活動性斷層分布，裂隙不發(fā)育。

庫區(qū)水文地質(zhì)條件較簡單，主要地下水類型為第四系松散層孔隙水與基巖裂隙水，受大氣降水與庫區(qū)水補給影響，在地形低洼處以泉或滴水方式溢出地表。庫區(qū)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象表現(xiàn)為巖石的風(fēng)化、剝落、崩塌，地表覆蓋層的崩積物較薄，未發(fā)現(xiàn)其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。庫區(qū)地形封閉條件較好，不存在水庫滲漏問題。

壩址河谷形態(tài)呈淺寬型，兩岸地形不對稱，整體趨勢左岸緩右岸陡。整個壩基區(qū)以粉砂巖為主，在粉砂巖層中夾有厚0.2-0.5m的砂質(zhì)泥巖，大壩修建時以強風(fēng)化粉砂巖作為基礎(chǔ)持力層。大壩壩基淺層巖體屬強-中等透水巖體。

本區(qū)域新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為間歇性緩慢抬升，第四系以來抬升幅度趨緩，差異運動減弱。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)劃定的工程區(qū)50a超越概率10%，地震動峰值加速度為0.05g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35s，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。因此，工程區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

1.2 水庫概況

荷村水庫是一座以城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有農(nóng)村人畜飲水等綜合利用功能的中型水庫。水庫水位387.06m，壩長281m，最大壩高為16.13m，總庫容1079.2萬m3。

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201—2014規(guī)定，定樞紐工程為Ⅲ等中型工程，攔河壩、溢洪道、取水口等主要建筑物為3級；次要、臨時建筑物級別為4級。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL 252-2017規(guī)定，建筑物級別及相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 建筑物級別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

2 水庫大壩滲流計算

2.1 計算方法

取水庫大壩最大橫剖面，按照水力學(xué)達(dá)西定律進(jìn)行滲流分析，滲流分析采用河海大學(xué)和南京水準(zhǔn)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的AUTOBANK6.1分析軟件，采用有限元法進(jìn)行滲流計算分析。

2.2 計算水位

特征水位包括死水位380.24m，正常水位386.46m，設(shè)計洪水位386.48m(P=2%)和校核洪水位387.06m(P=0.1%)。

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)原除險加固地勘報告及工程經(jīng)驗類比，水庫大壩滲流分析采用的滲透系數(shù)見表2。

表2 庫大壩筑壩材料滲透系數(shù)表

續(xù)表2 庫大壩筑壩材料滲透系數(shù)表

2.4 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)第8.1.2條之規(guī)定，進(jìn)行了以下4種水位組合成5種工況的滲流計算。

1)正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位。

2)設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)的水位。

3)校核洪水位與下游相應(yīng)的水位。

4)正常蓄水位降落至死水位(20d內(nèi)從386.46降至380.24m)。

5)校核洪水位降至死水位形成非穩(wěn)定滲流情況(20天內(nèi)從387.06降至380.24m)。

2.5 計算結(jié)果及分析

對水庫大壩滲流穩(wěn)定計算，滲透最大坡降計算見表3。

表3 水庫大壩滲流穩(wěn)定計算成果表

由上表可知，水庫各種工況下壩體最大單寬滲流流量為1.97×10-5m3/d·m。

計算水庫總滲漏量公式為：

Q=Lqt

(1)

式中：L為壩長，單位：m；q為壩體最大單寬滲流流量，單位：m3/s；t為時間，s。

得出水庫年最大滲漏量為2.02m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水庫的總庫容1079.2萬m3，說明水庫的防滲性能非常好，具有良好的經(jīng)濟效益。

隨著水庫水位的變化，校核洪水位工況下的單位滲流量與滲透最大坡降明顯大于其他兩個靜水位，而在后兩個伴隨有降落條件的工況下，水庫的滲透最大坡降明顯大于前3個靜水位的工況，表明動水作用下較靜水作用更不利。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287-2008推薦的判別公式，對壩體土的滲透變形形式進(jìn)行判別：

(2)

式中：PC為土的細(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計，%，本次計算取60%；n為土的孔隙率，根據(jù)地勘報告采用n=0.482。

可知本工程壩體只會發(fā)生流土破壞，其允許滲透坡降計算公式如下：

(3)

式中：△為土粒比重；△=2.70；n為土的孔隙率，n=0.482；KB為流土安全系數(shù)，此處采用1.5。

土粒密度及孔隙率通過類似工程類比得知，大壩允許滲透坡降[J]=0.587。水庫大壩最大滲透坡降J=0.385<[J]=0.646，所以水庫滿足滲透穩(wěn)定要求。

3 水庫大壩壩坡穩(wěn)定計算

3.1 計算方法

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001的規(guī)定，本工程應(yīng)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，計算程序采用河海大學(xué)和南京水準(zhǔn)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的AUTOBANK6.1分析軟件，計算方法采用了瑞典圓弧法。

3.2 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)第8.1.2條之規(guī)定，水庫大壩邊坡穩(wěn)定分析計算工況組合見表4。

表4 上、下游壩坡計算工況

續(xù)表4 上、下游壩坡計算工況

3.3 計算結(jié)果及分析

水庫大壩壩坡穩(wěn)定分析計算按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)第8.3.2條及8.3.10條規(guī)定及附錄D.1.2條規(guī)定：土體的抗剪強度計算穩(wěn)定滲流期時采用有效應(yīng)力法；計算庫水位降落期采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)。水庫壩坡穩(wěn)定計算方法選用瑞典圓弧法，計算成果見表5。

表5 水庫大壩上、下游壩坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

通過穩(wěn)定計算可知，水庫大壩擴建后滿足規(guī)范要求的抗滑穩(wěn)定需求。水庫大壩上游壩坡在工況1、2、3三個靜水位條件下，用瑞典圓弧法計算出來的最小穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值一致，均為1.956，而在工況4、5兩個動水位條件下，最小穩(wěn)定系數(shù)明顯小于3個靜水位，將這兩個工況進(jìn)行對比，可以看出，降落水位越大，計算穩(wěn)定系數(shù)越小。工況3校核洪水位的計算最小穩(wěn)定系數(shù)比其他兩個靜水位略小。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)過滲流計算，將本水庫大壩土粒密度及孔隙率與類似工程進(jìn)行類比得出，大壩允許滲透坡降[J]=0.587。水庫大壩最大滲透坡降J=0.385<[J]=0.646，所以水庫滿足滲透穩(wěn)定要求，而水庫一年的滲漏量遠(yuǎn)小于水庫庫容，說明水庫大壩的防滲性能非常好。

2)將不同靜水水位工況進(jìn)行對比后，發(fā)現(xiàn)校核洪水位工況下的單位滲流量與滲透最大坡降明顯大于其他兩個工況，后兩個動水位工況下水庫的滲透最大坡降也明顯比前3個靜水位工況下的大，表明動水作用下較靜水作用更不利。

3)通過穩(wěn)定計算可知，各個工況下計算得出的最小穩(wěn)定系數(shù)均比規(guī)范要求的大，所以水庫大壩滿足規(guī)范要求的抗滑穩(wěn)定需求。

4)水庫大壩上游壩坡在3個靜水位工況下最小穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值一致，均為1.956，而在兩個動水工況位下，最小穩(wěn)定系數(shù)明顯小于3個靜水位，將這兩個動水位工況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)降落水位越大，計算穩(wěn)定系數(shù)越小，但上游壩坡3個靜水位工況下計算穩(wěn)定系數(shù)與下游壩坡相比較大，說明下游壩坡的安全穩(wěn)定情況更應(yīng)該得到重視。