水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析實例綜述

王海青

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽550000)

1 工程概況

某水庫是一座有綜合效益的小型水利工程，主要是以防洪為主、兼顧灌溉、供下游企業(yè)用水。水庫總庫容65.15萬m3，控制徑流面積13.1 km2，有效灌溉面積10.6 hm2。

2 調(diào)查分析

該水庫的大壩為均質(zhì)土壩，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，壩頂寬6.4 m，壩軸線長294 m，最大壩高20.5 m。由于該水庫的筑壩土料不均勻，壩體碾壓未達標(biāo)，使得正常蓄水位下浸潤線出逸點偏高，導(dǎo)致壩體滲漏較為嚴重，大壩存在滲漏異常，后壩坡大面積散浸，威脅下游人民生命財產(chǎn)安全，急需進行除險加固處理。

3 大壩滲流計算

3.1 計算工況

結(jié)合某水庫的具體情況，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計導(dǎo)則》的規(guī)定，計算工況有以下3種:①死水位(1 939.00 m)+下游水位(取地面高程);②正常蓄水位(1 942.00 m)+下游水位(取地面高程);③設(shè)計洪水位(1 944.50 m)+下游水位(取地面高程)。

3.2 計算結(jié)果

通過對大壩進行滲流計算分析，得到的計算結(jié)果，有壩體單寬滲漏量及壩坡出逸點滲透坡降成果，具體見表1、表2。

表1 壩體和壩基滲漏量統(tǒng)計表

表2 滲透穩(wěn)定分析成果表

3.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)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(zhì)勘察規(guī)范》中的判別方法，根據(jù)土料顆粒分析統(tǒng)計可知，土料的細粒含量的計算公式為:

上式中:n為土的孔隙率;Pc為土的細粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計。由此可見，土料的細粒含量＞35%，同時不均勻系數(shù)＞5.0，故其滲透變形破壞為流土型。

流土型的臨界水力坡降的計算公式為:

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

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。

4 大壩邊坡穩(wěn)定分析

考慮該水庫已運行多年，在進行邊坡穩(wěn)定分析時，需要選取大壩樁號0+100斷面，不再復(fù)核施工期的上下游壩坡穩(wěn)定，分為兩種情況進行穩(wěn)定計算分析，例如正常運用條件及非常運用條件，主要內(nèi)容有:①正常運用條件:正常蓄水位及設(shè)計洪水位穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核;②非常運用條件I:校核洪水位時期上、下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核;水庫水位由校核洪水位驟降至正常蓄水位時的上游壩坡穩(wěn)定復(fù)核;③非常運用條件Ⅱ:正常蓄水位穩(wěn)定滲流+地震時的上、下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核。

本次計算參數(shù)依據(jù)該水庫的除險加固工程初步設(shè)計階段的工程地質(zhì)勘察報告，采用直接飽和固結(jié)快剪試驗結(jié)果，可以得到壩體土的各種材料物理力學(xué)性能指標(biāo)，例如黏聚力及內(nèi)摩擦角等，見表3。

表3 大壩各種材料物理力學(xué)性能標(biāo)表

根據(jù)上述各種指標(biāo)，再根據(jù)剛體極限平衡理論，根據(jù)規(guī)范的要求，分析壩坡的穩(wěn)定，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法進行計算。相應(yīng)地震力僅考慮水平順河流方向，由于大壩為4級建筑物，按照擬靜力法，進行抗震穩(wěn)定計算，得出的壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式為:

上式中:W為土條重量，kg;R為圓弧半徑，m;b為土條寬度，m;c、φ為土條底面的有效應(yīng)力強度指標(biāo);μ為作用于土條底面的孔隙壓力，kN;Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m;α為條塊重力線與通過該條塊底面中心的半徑之間的夾角，°;Q、V為分別為水平和垂直地震慣性力(向上為負，向下為正)，kN。通過上面的計算公式，可以得到大壩樁號0+100穩(wěn)定的復(fù)核成果，見表4。

表4 大壩樁號0+100穩(wěn)定復(fù)核成果表

根據(jù)表4，發(fā)現(xiàn)0+100斷面在校核洪水位及地震工況下，壩坡不穩(wěn)定，大壩下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

5 水庫大壩結(jié)構(gòu)安全綜合評價

根據(jù)以上滲流及穩(wěn)定分析，再結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對該水庫進行大壩結(jié)構(gòu)安全綜合評價，發(fā)現(xiàn)大壩上游工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，下游壩坡各工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。由于該水庫的土石壩是5級建筑物，正常運用條件的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)達到1.15，非常運用條件的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)達到1.05。因此，大壩的下游壩坡有失穩(wěn)的可能，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)規(guī)范的要求，加強溢洪道邊墻的穩(wěn)定，確定大壩的結(jié)構(gòu)安全性為C級。

6 結(jié)語

通過對某水庫大壩進行滲流及穩(wěn)定分析計算，可以發(fā)現(xiàn)，該壩的浸潤線較高，大壩壩體滲流不穩(wěn)定，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。因此，要結(jié)合規(guī)范要求，加強對水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析，確保抗滑穩(wěn)定的安全，從而對大壩進行除險加固處理，提高壩體防滲能力和抗滑穩(wěn)定。

［1］張周文.淺談水庫土壩護坡混凝土板厚度程序計算［J］.人民珠江，2001(4):22.

［2］宋永嘉，田景環(huán)，邵利.盤石頭水庫非常溢洪道進口體型試驗研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2002(1):43.

［3］類維強.大站水庫西副壩防滲加固工程設(shè)計與施工［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2006.