某水庫(kù)大壩滲流穩(wěn)定分析

劉鵬飛

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

1 工程概況

勝利水庫(kù)屬于平原注入式水庫(kù)形式，于1970年興建，設(shè)計(jì)總庫(kù)容1.10×108m3，為大（二）型Ⅱ等水庫(kù)，壩線長(zhǎng)15.64 km，按碾壓式均質(zhì)土壩設(shè)計(jì)，壩前防浪護(hù)坡坡比1∶8～1∶15，壩高最大達(dá)到7.18 m。

2000年前兵團(tuán)大壩安全鑒定專家小組對(duì)勝利水庫(kù)大壩質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)定，將其認(rèn)定為Ⅲ類壩，且提出了壩體防滲加固、壩后二臺(tái)加大、超高增高、壩前護(hù)坡等除險(xiǎn)加固措施。

2 分析方法

采用AUTOBANK6.1軟件，結(jié)合有限元分析法和瑞典圓弧分析法，以保證勝利水庫(kù)大壩滲流分析和壩坡穩(wěn)定分析過(guò)程及結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性。AUTOBANK6.1軟件是在現(xiàn)有有限元分析技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)水利水電工程堤防、大壩、水閘、涵洞等水工建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化模擬分析和計(jì)算的一種軟件工具。

應(yīng)用AUTOBANK6.1分析軟件全面分析及精確計(jì)算，最終以滲流量、等勢(shì)線、水力坡降、浸潤(rùn)線以及任意點(diǎn)和任意斷面流場(chǎng)數(shù)據(jù)分布等參數(shù)和圖形形式給出結(jié)果；并基于以上分析結(jié)果，不間斷進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、位移分析，由系統(tǒng)繪制并輸出應(yīng)力、位移、變形、主應(yīng)力隨時(shí)間空間變化趨勢(shì)；通過(guò)人機(jī)交換界面搜索出任意點(diǎn)、任意斷面所對(duì)應(yīng)的力學(xué)參數(shù)分布趨勢(shì)；模擬分期加載/卸載及土石方開挖/填筑等過(guò)程。

3 分析過(guò)程及結(jié)果

3.1 水庫(kù)大壩滲流分析

3.1.1 計(jì)算水位及參數(shù)

結(jié)合勝利水庫(kù)工程實(shí)際及大壩最大橫剖面實(shí)際，應(yīng)用AUTOBANK6.1 軟件結(jié)合達(dá)西定律進(jìn)行水庫(kù)大壩綜合滲流分析。選取該水庫(kù)大壩進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)所對(duì)應(yīng)的正常水位為386.45 m，死水位380.24 m，P=2%時(shí)的設(shè)計(jì)洪水位和P=0.10%時(shí)的校核洪水位分別取386.47 m和387.06 m。

結(jié)合勝利水庫(kù)建設(shè)和除險(xiǎn)加固過(guò)程中的地勘報(bào)告以及新疆地區(qū)同類型水庫(kù)工程滲流穩(wěn)定分析經(jīng)驗(yàn)確定滲透系數(shù)取值。

3.1.2 計(jì)算工況

結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》以及相關(guān)規(guī)范，將勝利水庫(kù)大壩滲流計(jì)算過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的水位組合工況設(shè)置為以下幾種：工況1：正常蓄水位和下游對(duì)應(yīng)最低水位。工況2：設(shè)計(jì)洪水位和下游對(duì)應(yīng)水位。工況3：校核洪水位和下游對(duì)應(yīng)水位。工況4：20 d 內(nèi)正常蓄水位降至死水位。工況5：20 d 內(nèi)校核洪水位降落至死水位后同時(shí)形成非穩(wěn)定形式的滲流。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《滲流計(jì)算分析與控制》等規(guī)范性資料，均質(zhì)土壩滲流計(jì)算應(yīng)采用以下公式：

式中：q—水庫(kù)大壩單寬滲流量（m3/d·m）；k—水庫(kù)大壩壩體現(xiàn)狀滲透系數(shù)（m/s），取2.97×10-6m/s；H1—上游水位（m）；H2—下游水位（m）；h0—下游出逸點(diǎn)高（m）；m1—上游實(shí)際邊坡系數(shù)；m2—下游實(shí)際邊坡系數(shù)；L—大壩壩長(zhǎng)（m）。將具體數(shù)值代入以上對(duì)應(yīng)公式后的計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)表2結(jié)果，勝利水庫(kù)大壩在不同工況下壩體單寬滲流量最大值為1.98×10-5m3/（d·m），據(jù)此進(jìn)行水庫(kù)大壩總滲漏量的計(jì)算，公式如下：

式中：Q—水庫(kù)大壩總滲漏量（m3/d）；t—時(shí)間（s）；其余參數(shù)含義同前。

經(jīng)計(jì)算，勝利水庫(kù)年滲漏量最大值為2.13 m3，遠(yuǎn)比水庫(kù)庫(kù)容總庫(kù)容1.10×108m3小，故該水庫(kù)大壩經(jīng)多次除險(xiǎn)加固處理后已經(jīng)具備較好的防滲性能。工況3 下水庫(kù)大壩單位滲流量計(jì)算結(jié)果明顯比其他工況大，也說(shuō)明水庫(kù)大壩滲漏穩(wěn)定受動(dòng)水作用比受靜水作用更為不利。

結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范（GB50287-2008）》的相關(guān)要求進(jìn)行勝利水庫(kù)大壩壩體土可能發(fā)生的滲透變形形式的判別，公式如下：

式中：—大壩壩體土細(xì)粒顆粒實(shí)際含量（%），通常用質(zhì)量百分率表示，取60%；—壩體土孔隙率，結(jié)合地勘報(bào)告取0.48。經(jīng)計(jì)算，勝利水庫(kù)大壩壩體現(xiàn)狀下其土細(xì)粒顆粒實(shí)際含量應(yīng)為48.30%，該水庫(kù)大壩壩體發(fā)生流土破壞的可能性較大，其允許滲透坡降按下式確定：

式中：Δ—大壩壩體土粒比重，根據(jù)對(duì)新疆地區(qū)規(guī)模同等水庫(kù)的類比分析，取2.71；KB—流土安全系數(shù)，取1.50；其余參數(shù)含義同前。經(jīng)計(jì)算，勝利水庫(kù)大壩允許滲透坡降為0.587，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，水庫(kù)大壩滲透穩(wěn)定滿足要求。

3.2 水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定分析

勝利水庫(kù)壩坡穩(wěn)定性分析中還必須進(jìn)行大壩邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，具體采用瑞典圓弧法及AUTOBANK6.1程序。

3.2.1 計(jì)算工況

結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》具體規(guī)定，根據(jù)水位組合分別設(shè)定正常工況和非正常工況進(jìn)行勝利水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

按照規(guī)范，勝利水庫(kù)大壩壩體抗滑穩(wěn)定采用剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，由于勝利水庫(kù)大壩為碾壓式均質(zhì)土壩設(shè)計(jì)，且壩坡存在軟弱夾層，故宜按照遵循力與力矩平衡原理的Mogenston-Plus方法進(jìn)行勝利水庫(kù)壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算，同時(shí)在全面考慮大壩壩體抗滑條塊間互相作用相應(yīng)力的基礎(chǔ)上應(yīng)用簡(jiǎn)化Bishop 法進(jìn)行計(jì)算結(jié)果校核。應(yīng)用AUTOBANK6.1 進(jìn)行該水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)以上對(duì)勝利水庫(kù)大壩邊坡穩(wěn)定的分析及計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)該水庫(kù)實(shí)施針對(duì)性強(qiáng)的除險(xiǎn)加固措施后水庫(kù)大壩邊坡抗滑穩(wěn)定性顯著提升，并能達(dá)到規(guī)范要求。應(yīng)用瑞典圓弧法所得到的勝利水庫(kù)大壩上游壩坡在前三種工況的靜水位下的穩(wěn)定系數(shù)最小值取值也處于較高水平，但是在其余兩種工況的動(dòng)水位下所計(jì)算出的穩(wěn)定系數(shù)最小值取值卻比較小，通過(guò)比較以及分析原因可以看出，該水庫(kù)存在較大幅度的降落水位，則所得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)取值越小。

4 結(jié)論

綜上所述大壩允許滲透坡降滿足規(guī)范；比較不同靜水位工況發(fā)現(xiàn)，校核洪水位工況下大壩單寬滲流量明顯比其余工況大，表明水庫(kù)大壩滲流穩(wěn)定受動(dòng)水作用的影響比靜水作用的影響更明顯。各工況下得到的穩(wěn)定系數(shù)最小值均比規(guī)范值大，表明該水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固措施實(shí)施后大壩壩體抗滑穩(wěn)定性能大大提升，且完全滿足相關(guān)規(guī)范要求；大壩上游壩坡在靜水位工況下所對(duì)應(yīng)的抗滑穩(wěn)定系數(shù)最小值也均比其余工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)最小值大，且降落水位越大，穩(wěn)定系數(shù)取值越小，且下游壩坡安全穩(wěn)定情況更應(yīng)受到重視。