某水庫(kù)土石壩滲流穩(wěn)定分析

孔佑龍

（貴陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

土石壩作為重要的擋水建筑物，其穩(wěn)定性受建壩材料及建筑時(shí)間長(zhǎng)等因素影響[1]。合理準(zhǔn)確地分析壩體滲流穩(wěn)定性能夠保障壩體正常運(yùn)行及下游居民生命和財(cái)產(chǎn)安全。目前，已有許多學(xué)者對(duì)壩體穩(wěn)定性分析進(jìn)行了大量的研究，提出了很多不同的方法。阿布都沙拉木等[2]依據(jù)北疆某水庫(kù)大壩多年滲流資料進(jìn)行了系統(tǒng)分析，明確了該水庫(kù)的滲透穩(wěn)定性。殷躍平[3]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)滑坡防治工程設(shè)計(jì)中的滲透壓力問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。李輝等[4]建立土石壩在不同水位時(shí)的滲透特性模型。姚浩等[5]以邢臺(tái)市某土石壩為例，計(jì)算分析了該粘土心墻壩滲流和穩(wěn)定均滿足設(shè)計(jì)要求。本文以始建于1958 年的某老水庫(kù)為例，在壩體土工取樣試驗(yàn)和水利樞紐現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用GeoStudio 軟件結(jié)合Simplified Bishop 圓弧法對(duì)該庫(kù)土石壩滲流穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，并提出了相應(yīng)的防滲措施建議。

1 工程概況

某水庫(kù)壩型為均質(zhì)土壩，始建于1958 年，于1965年擴(kuò)建成小（1）型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容192 萬m3，主要功能為灌溉，設(shè)計(jì)灌溉面積6920 畝，實(shí)際灌溉面積為5800 畝。壩址以上集水面積為9.3km2，其中主河道長(zhǎng)6.44km，河道平均比降為21.1‰。樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設(shè)施等組成。壩頂高程為1317.20m，最大壩高20.2m，壩軸線長(zhǎng)為120m，壩頂寬2.1m，大壩上游迎水面坡比為1∶3.15；大壩下游背水面壩坡分為三段：上壩坡坡比1∶1.5，中壩坡坡比1∶2.7，下壩坡坡比1∶3.35，壩腳排水棱體坡比為1∶1.5。

大壩填筑材料為黃褐色粘土，呈可塑至軟塑狀，含巖屑顆粒，局部巖屑顆粒含量較多，粘性差，較松散。為了復(fù)核壩體填筑土料質(zhì)量，對(duì)鉆孔取芯的壩體填筑土料進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：大壩壩中段壩體填筑土料局部滲透系數(shù)大于1×10-4cm/s，最大值為2.14×10-4cm/s；同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)大壩下游壩坡一級(jí)馬道出現(xiàn)的兩處滲漏帶。鑒于此，有必要對(duì)該水庫(kù)大壩進(jìn)行滲流安全計(jì)算分析，了解大壩運(yùn)行狀態(tài)，保障水庫(kù)各項(xiàng)功能的正常運(yùn)行。

2 工程地質(zhì)條件

水庫(kù)屬高原侵蝕、溶蝕型中山～中低山地貌，地勢(shì)較平緩，河谷較寬。碳酸鹽巖區(qū)域地質(zhì)營(yíng)力以溶蝕作用為主，基巖多為裸露及半裸露；碎屑巖區(qū)域地質(zhì)營(yíng)力以侵蝕作用為主，一般覆蓋層較厚。庫(kù)區(qū)地形起伏較大，高程于1280m～1500m 之間，地形開闊，地形平均坡度15°～30°，局部存在陡坡、陡坎。

壩區(qū)河谷為順向谷，巖層傾向左岸，壩址區(qū)為淺切低中山河谷地貌。兩岸坡覆蓋層為褐色、黃褐色的粘土、砂土和碎石塊，厚0.5～3.5m 不等；左壩肩基巖為灰、深灰色厚層塊狀含硅質(zhì)巖團(tuán)塊生物碎屑石灰?guī)r；壩基及右壩肩主要為灰、深灰色粘土巖、泥晶石灰?guī)r。根據(jù)鉆孔取芯揭示，壩基基巖為深灰色粘土巖夾灰?guī)r，基巖軟硬相間，差異風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化厚度一般3～5m，且強(qiáng)風(fēng)化層及弱風(fēng)化層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯主要呈碎塊狀、短柱狀，透水性強(qiáng)。鉆孔壓水試驗(yàn)顯示，壩基、壩肩的接觸帶基巖風(fēng)化強(qiáng)烈，透水性強(qiáng)，不起壓。弱風(fēng)化巖體透水率4.7～5.1Lu，屬弱透水層。

3 壩體滲流穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算條件

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，本工程水庫(kù)屬小（1）型水庫(kù)，工程等級(jí)為Ⅳ等，主要建筑物大壩、溢洪道、取水建物為4 級(jí)建筑物，次要建筑物（含臨時(shí)建筑物）為5 級(jí)。根據(jù)SL274-2020《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，該大壩屬均質(zhì)土壩，壩基無軟弱夾層或軟弱帶等情況，故采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普（Simplified Bishop）圓弧法進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算，相應(yīng)的壩坡抗滑穩(wěn)定最小允許安全系數(shù)見表1。

表1 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)表

同時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選用是否合理，將直接影響壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果的可靠性及合理性。因此，壩體填筑土料、排水棱體的堆石料的各物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)采用土工試驗(yàn)成果中的計(jì)算參數(shù)建議值，見表2。

表2 物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)表

3.2 計(jì)算工況

經(jīng)計(jì)算，該水庫(kù)的校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位均低于現(xiàn)狀壩頂高程，且現(xiàn)狀壩頂高程滿足規(guī)范要求的壩頂超高要求。

水庫(kù)地區(qū)歷史上無中、強(qiáng)地震記錄，區(qū)內(nèi)無區(qū)域性斷裂和活動(dòng)斷裂通過，地震基本烈度為Ⅵ度。故根據(jù)SL274-2020 的規(guī)定，結(jié)合工程實(shí)際情況，設(shè)置計(jì)算工況如下。

3.2.1 上游壩坡

工況一：正常蓄水位1314.00m 的穩(wěn)定滲流期；

工況二：上游設(shè)計(jì)洪水位1315.85m 形成的滲流情況；

工況三：上游校核洪水位1316.57m 形成的滲流情況。

3.2.2 下游壩坡

工況一：正常蓄水位1314.00m 的穩(wěn)定滲流期；

工況二：上游設(shè)計(jì)洪水位1315.85m 的穩(wěn)定滲流期；

工況三：上游校核洪水位1316.57m 的穩(wěn)定滲流期。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

壩坡穩(wěn)定分析采用GeoStudio 11.4.0.18 軟件進(jìn)行計(jì)算，按剛體極限平衡法中計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普（Simplified Bishop）圓弧法進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果所示，各工況壩坡穩(wěn)定性均滿足要求，詳見表3。

表3 壩體上下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)模擬分析結(jié)果，上下游壩坡條塊受力如圖1、圖4 所示，正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位以及校核洪水位不同水位下壩體浸潤(rùn)線的模擬分布情況如圖2、圖3 所示，其中上游水位處于設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位時(shí)，浸潤(rùn)線從下游壩坡一級(jí)馬道上方逸出，正常蓄水位時(shí)浸潤(rùn)線有從下游壩坡一級(jí)馬道逸出的跡象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的下游壩坡一級(jí)馬道出現(xiàn)的滲漏帶（上游水位1313.75m，接近正常蓄水位1314.00m），判斷出壩體滲流性態(tài)不安全。

圖1 上游壩坡條塊受力示意圖（單位：KN）

圖2 上游壩坡最危險(xiǎn)滑移面位置圖

圖3 下游壩坡條塊受力示意圖（單位：KN）

圖4 上游壩坡最危險(xiǎn)滑移面位置圖

同時(shí)根據(jù)壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果顯示，該水庫(kù)大壩各工況最危險(xiǎn)滑移面對(duì)應(yīng)的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果均大于SL274-2020《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的允許最小安全系數(shù)，即大壩壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)此分析可知，由于大壩自1958 年建成后，經(jīng)歷過擴(kuò)建以及數(shù)次除險(xiǎn)加固，大壩壩體不斷加厚，大壩壩坡坡比也在歷次改造中不斷變緩，使得大壩壩坡在滲流性態(tài)不安全的情況下可以保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4 防滲措施

通過對(duì)壩體、壩基鉆孔取芯、壓水試驗(yàn)的成果及水庫(kù)樞紐各部位的現(xiàn)場(chǎng)檢查，結(jié)合上述的壩體滲流穩(wěn)定性計(jì)算，分別對(duì)各個(gè)工況的浸潤(rùn)線、最危險(xiǎn)滑移面進(jìn)行了分析。綜上所述，該水庫(kù)大壩存在影響壩體穩(wěn)定的多個(gè)安全隱患問題，建議對(duì)大壩壩基、壩肩進(jìn)行帷幕灌漿，壩體充填灌漿，形成連續(xù)的防滲帷幕；防止因壩體滲流穩(wěn)定性降低，改變壩體填筑粘土的物質(zhì)成分或結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變壩體填筑粘土的內(nèi)摩擦角和凝聚力系數(shù)，減小顆粒間的有效應(yīng)力，導(dǎo)致壩體的抗剪強(qiáng)度降低。

5 結(jié)論

（1）土石壩滲流穩(wěn)定性分析是土石壩安全校核的重點(diǎn)之一，本文通過對(duì)某庫(kù)土石壩上下游壩坡在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位的滲流穩(wěn)定分析，得出該土石壩在不同工況下滲流和穩(wěn)定均滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，該方法可用于土石壩的滲流穩(wěn)定分析，為今后土石壩滲流分析的相關(guān)問題提供一定的借鑒。

（2）根據(jù)實(shí)際情況及計(jì)算分析結(jié)果，建議對(duì)大壩壩基和壩肩進(jìn)行帷幕灌漿，壩體充填灌漿，形成連續(xù)的防滲帷幕；以此改變壩體填筑粘土的內(nèi)摩擦角和凝聚力系 數(shù)，提高壩體的抗剪強(qiáng)度，加強(qiáng)顆粒間的有效應(yīng)力，進(jìn)一步地提高壩體的穩(wěn)定性，從而使壩體達(dá)到滲流穩(wěn)定的要求。