東母溝水庫大壩滲流及穩定計算分析

陳小洪

摘要：本文以西山區東母溝水庫為例，采用里正巖土系列軟件及STAB2008土石壩邊坡穩定分析程序對大壩進行滲流及穩定分析計算，以確定大壩在計算工況下的單寬滲漏量、浸潤線出逸點位置及對應的滲透比降、大壩上下游壩坡抗滑穩定安全系數是否滿足規范要求，大壩抗滑穩定是否安全。其成果可為同類工程的大壩安全鑒定和除險加固設計提供參考依據。

關鍵詞：水庫、大壩、滲流、穩定

1 工程概況

東母溝水庫位于長江流域普渡河水系螳螂川河支流桃樹箐河上，隸屬西山區海口鎮管轄，壩址地理座標為：東經：102°29′51″，北緯：27°26′48″。水庫控制徑流面積13.1km2，總庫容65.15萬m3，興利庫容19.83萬m3，有效灌溉面積160畝，是一座以防洪為主、兼顧灌溉、下游工況企業用水的綜合水利樞紐工程。

水庫大壩為均質土壩，最大壩高20.5m，壩頂寬6.4m，壩軸線長294m，上游壩坡坡比為1:2.42～1:2.64，下游壩坡坡比為1:2.32～1:2.76。由于筑壩土料不均勻，碾壓不密實,施工質量差，導致壩體滲漏較為嚴重，正常蓄水位下浸潤線出逸點偏高，后壩坡大面積散浸，大壩存在滲漏異常，嚴重威脅下游人民生命財產安全，急需進行除險加固處理。

2 大壩滲流分析

2.1 計算斷面與參數選取

因現有地質資料有限，未能建立三維的數字計算模型，因而最終采用大壩橫剖面二維有限元滲流計算，計算軟件采用北京理正滲流分析軟件。

滲透系數的選取，實際上是隨著反演計算的逐步逼近、不斷取舍、逐漸收斂而確定的。其具體過程為：先以鉆孔標注的滲透系數按有限透水地基上的均質土壩分區反推現行庫水位時壩體浸潤線，再以鉆探期的庫水位和鉆孔標注初見穩定水位進行反演計算壩體浸潤線，通過兩條曲線的對比，以尋求最佳擬合狀態的滲透性分區；然后再以此滲透系數分區為基礎進行其它特征水位下大壩滲流計算分析。

2.2 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）以及《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96）的規定，結合東母溝水庫的具體情況，大壩滲流分析計算包括以下幾種水位組合情況（由于校核洪水位已經高于現狀壩頂高程，不進行計算）：

①死水位（1939.00m） + 下游水位（取地面高程）；

②正常蓄水位（1942.00m） + 下游水位（取地面高程）；

③設計洪水位（1944.50m） + 下游水位（取地面高程）。

2.3 計算結果

計算得到的壩體單寬滲漏量及壩坡出逸點滲透坡降成果見下表。

壩體和壩基滲漏量統計表

計算工況 單寬滲流量（m3/d/m）

壩體 壩基 壩體+壩基

死水位（1939.00） 1.03 0.74 1.77

正常蓄水位（1942.00） 1.42 1.03 2.45

設計水位（1944.50） 1.85 1.21 3.06

滲透穩定分析成果表

計算工況 出逸點水力坡降 臨界坡降i cr 允許水力坡降[i]

死水位（1939.00） J正常=0.651 0.912 0.456

正常蓄水位（1942.00） J設計=0.742 0.912 0.456

設計水位（1944.50） J校核=0.781 0.912 0.456

2.4 壩體的滲透穩定

根據提供的土樣試驗報告，首先將試驗得到的土料的孔隙比換算為孔隙率，然后采用《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）中的判別方法，根據土料顆粒分析統計可知，土料的細粒含量為：

式中： 為土的細粒顆粒含量，以質量百分率計； 土的孔隙率。

由此可見，土料的細粒含量大于35%，同時不均勻系數大于5.0，故其滲透變形破壞為流土型。流土型的臨界水力坡降由下式計算：

式中： 為土的臨界水力比降； 為土的顆粒密度與水的密度之比； 為土的孔隙率。

Jcr=（2.72－1）（1－0.47）=0.912

計算得到壩體的臨界水力坡降為0.912，由于流土破壞為整體性破壞，對大壩危害較大。

允許的滲透坡降按下式計算：

取安全系數 （取值范圍為1.5～2.0）為2.0，則可得壩體允許的滲透坡降 為0.456。

3 大壩抗滑穩定分析

3.1 基礎參數的選定

地質勘察工作共鉆孔7個，總進尺224m，壓注水試驗45段，標貫試驗20次，取原狀土樣11組。據鉆孔勘探資料，大壩壩體為含礫粉質粘土，壩基上部第四系沖洪積砂卵礫石層；下伏地層為第三系含礫粘土及大海段、中誼村段白云質磷塊巖、粉砂質白云巖。因此，根據大壩壩體、壩基巖（土）體的物質組成，將大壩劃分為五個區，各區土料及壩基巖（土）體的物理力學特性分述如下：

Ⅰ區：為現狀壩體，根據勘察資料筑土料主要為含礫粉質粘土，取原狀土樣試驗,平均干密度rd=1.45g/cm3，比重Gs=2.72，孔隙比e=0.888，孔隙率n=47.0%，壓縮系數a0.1～0.2=0.38MPa-1，屬中等壓縮性土，據鉆孔內注水試驗資料，滲透系數為7.1×10-4～2.8×10-4cm/s，屬中等透水層，內摩擦角15.0°，凝聚力20kPa。

Ⅱ區：為壩基上部第四系沖洪積砂卵礫石層，室內試驗分析，天然密度1.89g/cm3，飽和密度1.97g/cm3，凝聚力18.0kPa，內摩擦角17.0°，滲透系數為7.1×10-4～5.8×10-4cm/s，屬中等透水層。

Ⅲ區：壩基中部第三系含礫粘土，取原狀土樣試驗, 平均干密度rd=1.56g/cm3，比重Gs=2.72，孔隙比e=0.628，孔隙率n=38.6%，壓縮系數a0.1～0.2=0.27MPa-1，屬中等壓縮性土；據鉆孔內注水試驗資料，滲透系數為8.4×10-4～1.43×10-4cm/s，屬中等透水層，內摩擦角18.0°，凝聚22.0kPa。

IV區：壩基下部白云質磷塊巖、粉砂質白云巖，巖石全～強風化，相對隔水層頂板埋深（q≦10.0lu）40.0m，天然密度2.20g/cm3，飽和密度2.25g/cm3，凝聚力40.0kPa，內摩擦角24.0°，滲透系數為9.12Lu～15.25Lu，屬中等、弱透水層。

V區，庫區內淤積，根據工程類比，天然密度1.55g/cm3，飽和密度1.55g/cm3，凝聚力17.0kPa，內摩擦角5.0°，滲透系數為1×10-5cm/s，屬、弱透水層。

壩體穩定計算物理力學參數容重取算術平均值，凝聚力和內摩擦角取用小值均值。

3.2 計算原理

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96），壩坡的穩定分析采用簡化畢肖普有效應力法計算，其穩定安全系數按下列公式計算：

式中： —安全系數；

—土條重量；

—水平地震慣性力；

—作用于土條底面的孔隙壓力；

—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；

—土條寬度；

、 —土條底面的有效應力抗剪強度指標；

—水平地震慣性力對圓心的力矩；

—圓弧半徑。

3.3 穩定分析成果

對大壩上、下游壩坡抗滑穩定進行分析計算,采用實測剖面對水庫運行中可能發生的工況進行計算，計算成果見下表：

東母溝水庫大壩穩定分析成果表

工作條件 序號 計算工況 畢肖普法

抗滑安全系數 規范允許值

正

常

運

用

Ⅰ 上游 1 設計洪水位1944.50m 2.389 1.25

2 正常蓄水位1942.00m 2.060 1.25

3 死水位1939.00m 1.766 1.25

4 正常蓄水位1942.00m緩降至死水位1939.00m 1.683 1.25

下游 5 設計洪水位1944.50m 0.900 1.25

6 正常蓄水位1942.00m 0.993 1.25

7 死水位1939.00m 1.104 1.25

非

常

運

用

Ⅱ 上游 8 設計洪水位1944.50m +8°地震 1.520 1.10

9 正常蓄水位1942.00m +8°地震 1.407 1.10

10 死水位1939.00m +8°地震 1.302 1.10

11 正常蓄水位1942.00m緩降至死水位1939.00m +8°地震 1.247 1.10

下游 12 設計洪水位1944.50m +8°地震 0.723 1.10

13 正常蓄水位1942.00m +8°地震 0.807 1.10

14 死水位1939.00m +8°地震 0.898 1.10

正常蓄水位無地震工況下的最危險滑弧位置如圖2。

4、結論

通過對東母溝水庫大壩進行滲流及穩定分析計算，結果表明：該壩浸潤線較高，各計算工況下浸潤線出逸點滲透比降均大于滲透變形允許的水力比降，大壩壩體滲流不穩定；大壩上游壩坡在任何工況下抗滑穩定安全系數均大于規范值，下游壩坡在任何工況下抗滑穩定安全系數均小于規范值，大壩抗滑穩定不滿足規范要求，抗滑穩定不安全。需要對大壩進行除險加固處理，提高壩體防滲能力和抗滑穩定。

參考文獻：

[1]《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96）；

[2]《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）；

[3]《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）；

[4]土質邊坡穩定分析—原理?方法?程序[M] 中國水利水電出版社；

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。