水庫堤壩滲流穩定分析

章勝玲，李振龍

（上海勘測設計研究院，上海市 200434）

1 地質及水文條件

1.1 工程地質

水庫新建西堤位于東風西沙夾泓西側，起點與北堤（現有崇明大堤白港二隊轉折點）連接，穿越東風西沙北夾泓，終點通過取水泵閘之間的連接平臺及閘上交通橋與南堤（東風西沙圍堤東北角頭部）連接。大堤堤線呈弧線型，總長約2 352 m，泥面高程約1~4 m。堤基各土層物理力學性質參數見表1。

表1 堤基各土層物理力學性質參數表

1.2 工程水文條件

工程河段處于長江口，受地形和長江徑流影響，潮位、潮差和潮時沿程發生變化。東風西沙工程區歷史最高潮位6.24 m，多年平均高潮位3.43 m，多年平均低潮位1.06 m，咸潮期平均潮位2.4 m，年平均潮位2.25 m，歷史最低潮位-0.08 m。東風西沙水庫工程區百年一遇最高潮位6.43，庫內設計最高蓄水位5.65 m。

2 大堤結構設計

水庫新建大堤采用吹填砂筑堤工藝，堤頂高程7.60 m，防浪墻墻頂高程7.80 m，堤頂寬6.0 m，庫內、外側邊坡均為1∶3。大堤內外側各設充填袋裝砂棱體，棱體均采用吹泥管袋，棱體間堤芯采用散吹砂。庫外及庫內均設230 g/cm2反濾土工布；攤面高處堤身范圍灘面采用反濾土工布護底，攤面低處堤身范圍灘面采用φ300 mm@1500砂肋軟體排護底。內外側拋石布置，備料拋石棱體可作為堤身吹填的屏障，從而確保施工期間堤身安全。

3 堤壩滲流穩定分析

3.1 水位組合

大堤滲流計算及整體穩定計算水位組合見表2，3。

表2 大堤滲流計算水位組合表

表3 大堤整體穩定計算水位組合表

3.2 滲流穩定分析理論

3.2.1 滲流分析（非飽和土滲流理論）

非飽和土非穩定滲流的基本控制微分方程為：

式中：H——總水頭；kx——水平滲透系數；ky——垂直滲透系數；Q——滲透量；θ——體積含水量；t——時間。

等式右邊體積含水量變化率為0時，得出非飽和土穩定滲流基本微分方程：

3.2.2 邊坡穩定分析——瑞典條分法

總應力法：

有效應力法：

式中：K——整個滑體剩余力計算的安全系數；l——單個土條的滑動面長度，m，l=bsecθ；W——條塊重力，kN，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；θ——條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，度；U——條塊所受到的浮力，kN；D——條塊所受到的滲透力，kN，據孔隙水壓力梯度場積分得出；α——條塊的滲透力與水平力的夾角，度；C，φ——土的抗剪強度指標，采用總應力法時，取總應力指標，采取有效應力法時，取有效應力指標。

3.3 計算成果及分析

由表4中沒有設置防滲墻的滲流計算結果可知，堤身坡面最大出逸坡降（除工況3）均大于允許滲透坡降［J］=0.25，堤基表面最大出逸坡降，工況2至工況5的均小于允許滲透坡降，工況1大于允許滲透坡降。

表4 大堤滲流分析計算成果表

通過分析成果，大堤需要采取滲控措施，以提高圍堤的滲透穩定。滲控措施在堤軸線靠長江側堤身及堤基布置高壓擺噴防滲墻，孔間距1.60 m，墻頂高程7.00 m，墻體應打穿粉砂層伸入相對不透水層⑤1-1淤泥質粘土內2.0 m。根據地勘報告工程地質評價，⑤1-1層頂面高程-16.00～-18.80 m，防滲墻底高程應為-18.00～-20.80 m，平均高程-19.40 m，防滲墻設計底高程-19.50 m（平均）。

該法防滲效果好，施工所需場地較小，也能穿透充砂管袋、軟體排等障礙物，較為適宜本水庫圍堤。

高壓擺噴建造復合水泥漿防滲墻滲透系數不大于 n×10-6cm/s（1≤n＜9），允許滲透比降大于60。設計要求墻體強度R≥3.0 MPa，成墻有效厚度不小于0.30 m。

因此，對設置高壓擺噴防滲墻，也進行了滲流穩定分析的計算。

計算結果表明，西堤堤身及堤基布置高壓擺噴防滲墻（厚0.30 m，深26.50 m）后，水庫圍堤沿坡面和沿下游基礎面，滲流出逸坡降均小于允許滲透坡降［J］=0.25，滿足要求，其滲流量是圍堤不設防滲措施滲流量的60%左右，減小了40%左右。

由滲漏量計算成果看，庫內向庫外單位滲漏量大于庫外向庫內。

經計算，各種計算工況下堤坡整體抗滑穩定安全系數均大于規范規定值，滿足設計規范要求。

4 結語

1）采用非飽和滲流模型對東風西沙水庫堤壩進行穩定滲流分析，確定堤壩堤基、堤坡、堤身滲透坡降，論證水庫堤壩采取防滲措施的必要性。

2）通過對比分析，水庫堤壩采取封閉式防滲墻的滲控措施后，水庫大堤各滲流計算工況堤身和堤基滲透坡降均能滿足滲透穩定要求。

3）采取滲控措施后，水庫堤壩的抗滑穩定滿足要求。

［1］顧慰慈編.滲流計算原理及應用［M］.北京：中國建材工業出版社，2000，08.

［2］錢家歡，殷宗澤主編.土工原理與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2000，10.

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［6］龔曉南主編.土工計算機分析［M］.北京：中國建筑工業出版社，2000，10.

［6］陳祖煜著.土質邊坡穩定分析——原理、方法、程序［M］.北京：中國水利水電出版社，2003，1.