外坦水庫滲流及壩坡穩(wěn)定分析

黃孫堅，尤斌武

（永嘉縣水利水電勘測設(shè)計院，浙江 溫州 325100）

0 引言

大壩滲流對水庫的危害極大，隨著滲漏量的增大，水庫軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，斷裂帶充填物滲透變形增大，水工建筑物失穩(wěn)，壩體滑動，更有甚者會引發(fā)潰壩。為此，必須針對大壩實(shí)際加強(qiáng)壩體防滲，保證大壩安全運(yùn)行。

1 計算原理

水庫滲流及壩坡穩(wěn)定分析主要以水頭分布為研究對象，并將均質(zhì)壩滲流過程簡化為x～z垂直剖面二維滲流問題，在二維滲流連續(xù)方程中導(dǎo)入達(dá)西定律便得出以下方程：

上式（1）便是二維壩體自由面各向異性穩(wěn)定滲流場微分方程，其中的kx、kz為x向和z向的滲透系數(shù)。

水庫壩坡穩(wěn)定性分析通過簡化的畢肖普法進(jìn)行，應(yīng)用有效應(yīng)力法進(jìn)行分析時，畢肖普法安全系數(shù)按下式確定：

式（2）（3）中：Fs—畢肖普法壩坡安全系數(shù)；c′i—大壩土條粘聚力有效值（kPa）；φ′i—大壩土條內(nèi)摩擦角（°）；Wi—土條重量（kg）；bi—土條寬（m）；ui—土條底弧面中點(diǎn)孔隙水壓力（kPa）；αi—通過土條底面重心的土條重力線和半徑夾角（°）。經(jīng)過迭代分析，便可得出均質(zhì)壩壩坡安全系數(shù)Fs取值。

2 水庫滲流及壩坡穩(wěn)定分析方案

外坦水庫位于永嘉縣沙頭鎮(zhèn)渠口村，小楠溪支流渠口溪上游，水庫大壩坐落于渠口村北面，距離渠口村直線距離1.20 km。該水庫是一座以灌溉為主，結(jié)合飲用水的水利工程。水庫大壩始建于1958年10月，1959年11月建成投入運(yùn)行，1960-1983年期間大壩陸續(xù)加寬、加高三次至現(xiàn)有規(guī)模。水庫壩址以上集雨面積0.61 km2，水庫總庫容14.47 ×104m3，正常庫容9.98 ×104m3，為?。?）型水庫。水庫樞紐主要由大壩、溢洪道、放水涵管等建筑物組成，大壩為均質(zhì)壩，最大壩高16.20m，壩頂長度101.60m。根據(jù)地質(zhì)勘探報告，大壩為均質(zhì)壩，現(xiàn)狀壩頂長101.60m，最大壩高16.20m，壩頂高程282.34 ～282.84m，壩頂寬度7.76 ～10.40m，大壩壩頂采用C20混凝土護(hù)面。

文章選取外坦水庫大壩壩體進(jìn)行滲流及壩坡穩(wěn)定分析。大壩壩體為均質(zhì)土壩，最大壩高16.20m，壩頂高程約282.50m（國家85高程），壩頂較寬，一般寬度在7.76 ～10.40m，迎水坡坡比為1∶1.17 ～1∶2.26 ，背水坡坡比1∶0.83 ～1∶1.65 ，大壩上、下游均為土坡，壩頂鋪設(shè)10cm混凝土面層，上、下游坡體采用塊石鋪排護(hù)坡，坡體植被覆蓋稀少。從鉆探揭露的巖土層性質(zhì)，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果可知，水庫大壩主要采用周圍山體上全風(fēng)化凝灰?guī)r、殘（坡）積土（含角礫粘土）經(jīng)人工夯實(shí)填筑而成。此次勘察揭露壩體填筑材料為含角礫粉質(zhì)粘土②，護(hù)坡坡體為填塊石砌筑，壩肩基礎(chǔ)落于中風(fēng)化凝灰?guī)r③（J3x）上，壩基持力層為中風(fēng)化凝灰?guī)r。據(jù)鉆探及土工試驗(yàn)成果分析，壩體土多為粉質(zhì)粘土，局部為粘土，不均勻夾少量角礫及中粗砂，總體以粘性土為主，壩體土質(zhì)均勻性較差，不符合現(xiàn)行《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》對防滲體填筑料的標(biāo)準(zhǔn)。

防滲加固設(shè)計方案選定的原則是簡便易行、方案可靠，加固采用的防滲形式宜與原防滲體相同或類似，根據(jù)實(shí)際情況和類似工程經(jīng)驗(yàn)，外坦水庫大壩壩體擬定采用粘土防滲墻和混凝土防滲墻兩種方案進(jìn)行防滲加固。

2.1 網(wǎng)格劃分

文章利用SEEP/W程序?qū)ν馓顾畮煨眽巫畲笃拭孢M(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，防滲墻設(shè)置后計算模型簡圖具體見圖1，滲流穩(wěn)定分析前還應(yīng)進(jìn)行模型自由網(wǎng)格剖分，模型的有限元網(wǎng)格具體見圖2。迎水面上游水位以上為不透水邊界，而定水頭邊界設(shè)定在迎水面上游水位以下，背水面271.64m以上為不透水邊界，以下為可變邊界；若水頭高出該高程，則為等同于高程的水頭邊界，若水頭低于該高程，則為不透水邊界。

圖2 模型的有限元網(wǎng)格劃分圖

2.2 滲流計算方案及參數(shù)

對正常蓄水位和設(shè)計洪水位的正常運(yùn)用條件以及校核洪水位的非正常運(yùn)用條件下，分析各水位及所對應(yīng)下游水位壩體穩(wěn)定滲流場，并分正常蓄水位279.00m、設(shè)計洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三種工況進(jìn)行滲流計算。

滲流計算過程應(yīng)以壩體受斜墻和砂石區(qū)浸潤線的影響為重點(diǎn)，砂壤土保護(hù)層參數(shù)選取應(yīng)與砂石料相同，粘土鋪蓋和粘土護(hù)坡參數(shù)應(yīng)與粘土斜墻相同。通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)所得到的壩料飽和滲透系數(shù)等參數(shù)取值具體見表1。

表1 壩料飽和滲透系數(shù)等參數(shù)取值表

在大壩壩體滲流穩(wěn)定分析過程中，必須考慮非飽和土體滲流作用的影響，非飽和土體滲透系數(shù)并非常數(shù)，而是土體基質(zhì)吸力或含水量的函數(shù)。文章主要根據(jù)級配曲線預(yù)測土水特征曲線的方法推求大壩壩料土水特征曲線，并根據(jù)所得到的土水特征曲線確定飽和滲透系數(shù)并推算滲透函數(shù)。

2.3 下游壩坡抗滑穩(wěn)定分析

通過簡化畢肖普法進(jìn)行外坦水庫壩坡穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定分析。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，正常運(yùn)用條件及非正常運(yùn)用條件下，水庫大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值應(yīng)分別取1.30 和1.20 。壩坡抗滑穩(wěn)定分析剖面的選取與水庫大壩滲流分析相同，在Geostudio2007的SLOPE/W程序中應(yīng)用有效應(yīng)力法進(jìn)行下游壩坡防滲墻設(shè)置前后抗滑穩(wěn)定性分析計算，有效應(yīng)力法所對應(yīng)的孔隙水壓力值根據(jù)有限元滲流計算得到。

下游壩坡抗滑穩(wěn)定計算采取與壩體滲流計算類似的處理，即砂壤土保護(hù)層物理力學(xué)指標(biāo)取值與砂石料相同，粘土鋪蓋層和護(hù)坡層物理力學(xué)指標(biāo)取值與粘土斜墻相同。

3 計算結(jié)果

根據(jù)正常蓄水位279.00m、設(shè)計洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三種工況下的浸潤線位置和孔隙水壓力圖可以看出，浸潤線曲線所對應(yīng)的孔隙水壓力為0；浸潤線將壩體劃分為兩個區(qū)域：浸潤下以下的飽和區(qū)和浸潤線以上的非飽和區(qū)，前者孔隙水壓力為正，后者孔隙水壓力為負(fù)。設(shè)置防滲墻前斜墻土料和砂石料滲透系數(shù)分別取1.00 ×10-5cm/s和1.00 ×10-4cm/s，防滲性能不良，且兩者相差整整一個量級，這也說明下游壩殼浸潤線位置高，水流主要從下游壩坡逸出。上游水位高低對浸潤線位置的影響較大，在壩軸線處設(shè)置防滲墻前，浸潤線位置與上游水頭基本齊平；而設(shè)置防滲墻后，浸潤線在防滲墻前段急劇降落，在防滲墻后段浸潤線位置受下游水位影響不大；下游壩殼中浸潤線位置較低，且水位未從下游壩坡逸出。

正常蓄水位279.00m、設(shè)計洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三種工況下防滲墻設(shè)置前后大壩壩體單寬滲流量測試結(jié)果詳見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，防滲墻設(shè)置前滲流流量明顯大于防滲墻設(shè)置后，且防滲墻設(shè)置后三種工況下大壩壩體單寬滲流量均隨水位升高而呈增大趨勢。防滲墻防滲效果十分明顯，且混凝土防滲墻的防滲效果優(yōu)于粘土防滲墻。

表2 壩體單寬滲流量計算結(jié)果表

此外，根據(jù)對三種工況下大壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)允許值的分析發(fā)現(xiàn)，在防滲墻設(shè)置前，不同工況下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均隨水位升高而遞減，且安全系數(shù)取值均不滿足規(guī)范要求；而防滲墻設(shè)置后，不同工況下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)允許值均能達(dá)到規(guī)范要求，且混凝土防滲墻壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)值大于粘土防滲墻，充分表明防滲墻措施加固效果良好。粘土防滲墻在校核洪水位281.58m工況下工程安全性良好，其余工況下安全性一般；經(jīng)濟(jì)合理?；炷练罎B墻工程安全性及經(jīng)濟(jì)合理性均優(yōu)于粘土防滲墻。故最終推薦混凝土防滲墻加固方案。

4 結(jié)論

綜上所述，外坦水庫均質(zhì)壩防滲墻設(shè)置前，壩殼和斜墻滲透系數(shù)相差一個量級，且下游浸潤線較高，水流主要從下游壩坡出逸；單寬滲流量明顯大于防滲墻設(shè)置后的單寬滲流量值，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取值也不滿足規(guī)范要求。而將防滲墻設(shè)置于壩軸線處后使浸潤線急劇降落，壩坡安全系數(shù)也達(dá)到規(guī)范要求的水平，表明防滲墻防滲作用顯著，且混凝土防滲墻比粘土防滲墻的防滲效果更加優(yōu)良。綜合考慮防滲效果及防滲加固設(shè)計方案選定的原則，外坦水庫大壩壩體主要選用沖抓套井回填粘土防滲墻加固方案。