某小型水庫大壩安全鑒定中壩體滲流穩定分析

徐桂紅 XU Gui-hong

（浙江省水利水電勘測設計院安徽分院，合肥 230000）

1 概述

某小型水庫位于安徽省池州市東至縣龍泉鎮下畈村境內，屬鄱陽湖龍泉河支流，距龍泉鎮14km。水庫于1958年5月開工興建，1959年5月初步建成投入使用。水庫集水面積1.5km2，總庫容40.70萬m3，設計灌溉面積1000畝，下游保護面積1.33km2、人口600人、耕地1000畝，是一座以防洪、灌溉為主的綜合利用?。?）型水庫。水庫運行多年來，對下游的防洪安全，促進農業發展，發揮了重大作用[1]。大壩為粘土井柱心墻壩，主壩壩壩頂長190m，壩頂寬約5m，為土石路面，壩頂實測高程51.88～53.08m，最大壩高13.2m。上游為土坡，坡比為1:2.8；下游壩坡坡比為1:2.5，壩坡無護砌。壩坡排水溝為土渠結構。副壩壩頂長68m，壩頂寬約5m，壩頂高程51.35～52.06m，最大壩高13.2m。

2 現場勘查檢查

經現場勘查檢查，現狀大壩年久失修，壩頂為土路面，高低不平；上下游壩坡均無護坡，表面基本平整，上游坡面正常蓄水位以上及下游坡面雜草滋生；大壩局部存在水土流失現象，造成下游壩坡過陡，左側壩腳排水溝為土溝，穩定性較差；大壩壩腳存在多處滲漏。根據水庫當地管理站的反應，滲漏點均處于主壩處。

3 工程質量評價

3.1 庫區工程地質條件及評價

根據本次地質調查、鉆探和1:20萬彭澤幅（H-50-[21]）區域地質資料，本次勘察范圍內，所揭露的地層從老到新有元古界板溪群石城組（Ptbns）、第四系上更新統坡沖積物（Q3dal）。

石城組（Ptbns）主要由一套淺海相砂質碎屑巖組成，由于歷次構造等因素的影響，普遍受區域性淺變質，巖性為灰綠至深灰色板巖、千枚巖組成，片理發育，分布庫區及庫區兩側，層厚＞2800m，地層產狀135°∠66°。

第四系上更新統（Q3dal），主要巖性為褐黃色粉質粘土夾砂礫卵石和粘土夾碎石，主要分布在大壩下游溝谷中及坡腳地帶，層厚0.5～5m。

3.2 壩基地質條件評價

大壩建基面為層粉質黏土（Q4a）l層：黃褐色、灰褐色，硬可塑狀，含少量鐵錳質結核，夾灰色高嶺土團塊，網狀裂隙發育，斷面粗糙稍有光澤，無搖振反應，干強度中等，韌性中等。根據野外注水試驗，粉質黏土滲透系數3.52E-05～7.78E-05cm/s，平均4.28E-05cm/s，為弱透水性。但下部基巖滲透率為5～24Lu，呈中等透水性，經2011年除險加固，對大壩進行壩身粘土井柱防滲墻處理，壩身粘土井柱防滲墻深度達到基巖層。

3.3 壩體筑壩質量評價

大壩壩身填筑成份主要以風化碎石及粗砂為主，夾有粉質黏土，平均壓實度85.4%，滲透系數為K=6.13×10-4～9.45×10-4cm/s，屬于中等透水性，說明該大壩主體部分碾壓密實性一般，防滲性能力較差。大壩雖經多年運行，填筑時未充分碾壓，壩體填土空隙較大，且含有風化碎石及植物根系等；由于填筑大壩時，存在壩體填土與壩基結合部沒有處理好，且大壩填筑時未清基徹底，基壩體土填筑質量未能達到設計要求，致使下游壩腳出現散浸現象。

3.4 壩體防滲結構質量評價

壩體為粘土井柱心墻壩，壩身采用粘土井柱墻防滲，由于填筑大壩時，存在壩體填土與壩基結合部沒有處理好，且大壩填筑時未清基徹底，基壩體土填筑質量未能達到設計要求，導致大壩防滲體系不完善，存在滲漏風險，具有安全隱患。

4 大壩滲流穩定分析

4.1 大壩防滲及反濾排水結構

大壩為粘土井柱心墻壩，壩井防滲采用套井回填黏土防滲，與壩身培厚相結合，頂高程與壩頂高程一致，套井采用單排孔，單排孔有效厚度為0.84m，孔距0.84m，孔中心布在大壩軸線上。2011年除險加固后上游整坡，不足部分加培；頂部高程不足部分加培粘土。大壩壩腳無反濾排水設施。

4.2 壩體滲流計算

大壩滲流計算主要內容為：確定壩體浸潤線及其出逸點位置，繪制壩體及壩基的流網圖；確定壩體及壩基的滲流量；確定壩體及壩基的滲透坡降和出逸坡降，并判斷其滲透穩定性。所以本計算首先根據地質報告和有關規范計算出壩身浸潤線、滲流等壓線，然后計算出大壩滲流量，最后確定壩基土層的水平滲透比降、下游滲流出逸段的出逸比降，并論證壩基土層及壩后滲流出逸段的滲透穩定性。

大壩滲流計算屬于無壓滲流，有浸潤面存在。在計算大壩滲流時，一般作為平面問題考慮，并符合達西定律。在此條件下，大壩滲流運動可用拉普拉斯方程表示：

式中：

kx——土的水平滲透系數；

ky——土的垂直滲透系數；

H——滲透水流在某點的計算水頭。

大壩滲流計算采用二維穩定滲流有限元法，計算分析軟件采用河海大學土木工程學院開發的“Autobank—水工結構有限元分析系統”。

4.2.1 計算斷面及地層簡化

根據地質勘探剖面圖中壩體和壩基地質情況，選用大壩中間鉆孔處橫斷面進行滲流計算。計算斷面及土層分區見圖1。

圖1 大壩滲流計算斷面圖

4.2.2 計算參數選取

壩體及壩基各材料的滲透系數采用安全指標見表1。

表1 大壩滲流分析選用物理力學指標表

本次允許滲透坡降直接選用地質勘察推薦成果，見表2。

表2 各層巖土體允許水力坡降取值表

4.2.3 計算工況

滲流計算邊界條件包括邊界地下水位、地表水位、地表出滲及特殊工況的內部邊界。

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL189-2013）規定[2]，結合本工程實際情況，滲流穩定計算工況的水位組合如下：

工況一：正常蓄水位48.95m+下游無水

工況二：設計洪水位49.44m+下游無水

工況三：校核洪水位49.77m+下游無水

工況四：大壩校核洪水位驟降至正常蓄水位（即49.77m降至48.95m）。

4.2.4 計算成果及分析

按以上所述四種工況分別進行計算，繪制大壩各工況下的滲流等值線及浸潤線，見圖2。

圖2 大壩各工況下滲流等值線圖

大壩滲流計算成果見表3。

表3 大壩滲流穩定計算成果表

由以上計算成果可以看出，大壩橫剖面上的計算等勢線分布符合一般心墻壩的滲流規律。大壩正常蓄水位、設計水位和校核水位三種工況下單寬滲流量分別為0.20m3/（m·d）、0.24m3/（m·d）、0.25m3/（m·d），滲流量相對庫區庫容較小。大壩各工況下出逸點高程基本位于壩腳附近；在校核洪水位工況下出逸點最大滲透比降為0.36，略高于規范允許滲透比降0.35，存在滲漏風險。

根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2017），水庫大壩滲流安全性級別定為“C”級[3-4]。

5 結構安全評價

結構安全評價的目的是復核大壩(含近壩岸坡)在靜力條件下的變形、強度及穩定是否滿足現行規范要求。

根據地質勘探剖面圖中壩體和壩基地質情況，結合滲流計算結果，選用大壩中部位置橫斷面（與滲流計算斷面一致）進行穩定分析。

5.1 計算參數選取

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL189-2013）的規定[2]，壩身土料的物理力學指標均直接采用地勘報告的建議值，并將此指標值作為抗剪強度的有效應力指標值使用，相應的總應力指標值以確定的有效應力指標值為基礎，適當調整粘聚力及內摩擦角等確定。最終確定的計算參數見表4。

表4 大壩穩定分析各土層物理力學指標

5.2 計算工況

根據規范要求及水庫的實際情況，大壩穩定分析考慮兩種工況，一是正常運行時正常蓄水位和設計洪水位兩種水位組合情況下壩坡上下游的穩定性，二是非常運行時校核洪水位和水位驟降兩種情況下上下游壩坡的穩定性。

5.3 計算方法及計算成果

簡化畢肖普法按下式計算：

式中：

K——抗滑穩定安全系數；

W——土條的重量，（kN）；

u——作用于土條底面的孔隙壓力，（kN）；

α——條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，（°）；

b——土條寬度，（m）；

c′——土條底面的有效應力抗剪強度指標的凝聚力，（kN/m2）；

φ——土條底面的有效應力抗剪強度指標的的內摩擦角，（°）。

大壩抗滑穩定分析計算軟件采用河海大學土木工程學院開發的“AUTOBANK－水工結構有限元分析系統”。

大壩抗滑穩定計算成果見表5。

表5 水庫壩坡抗滑穩定計算成果

水庫大壩正常運行條件下，壩坡抗滑穩定安全系數均大于1.25；非常運行條件下，壩坡抗滑穩定系數均大于1.15，滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL189-2013）中對壩坡抗滑穩定最小安全系數規定的要求[2]。綜合以上分析，可認為大壩結構安全，大壩結構安全評為“A”級。

6 結語

經過現場勘查檢查和滲流穩定分析計算，結果表明，大壩結構安全，大壩結構安全評為“A”級。由于填筑大壩時，存在壩體填土與壩基結合部沒有處理好，且大壩填筑時未清基徹底，基壩體土填筑質量未能達到設計要求，導致大壩防滲體系不完善，存在滲漏通道，大壩運行期間主壩壩腳存在多處滲漏，具有安全隱患。滲流安全評價為“C”級，不滿足規范要求，屬三類壩。需及時采取措施進行整治，從而保證水庫的正常運行。