土石壩除險加固滲流穩定復核研究

馮 宵，盧 敏，王淑文，王良澤南，孟志元

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201)

0 引言

目前，我國已建水庫8.7萬余座［1］，大壩大多以土石壩為主，土石壩占我國大壩總數的83%［2］。滲流對土石壩影響非常不利，當滲透流速或滲透坡降高于某一固定界限時，就會導致壩體或壩基土體變形。國內外土石壩失事大多是由于滲流破壞產生的［3］。如1976年美國提堂壩就是因為壩體右岸的窄斷層發生滲透破壞，導致大壩在短時間內跨壩［4］。此外，壩坡穩定是影響土石壩安全的另一個重要因素。1989年我國云南省漫灣水電站壩肩在開挖時發生了滑坡事件，財產損失近億元［5］。

目前，我國正對多年運行的水庫進行大規模除險加固。為防止病險水庫潰壩［6］，在對土石壩進行除險加固處理的同時，需對除險加固設計進行壩體的滲流穩定復核，以保證壩體的安全。因此，加強對土石壩滲流和壩坡穩定性分析，在土石壩的除險加固中顯得尤為重要。本文采用GeoStudio軟件，對某水庫水石壩除險加固設計進行滲流穩定復核。

1 計算原理

1.1 SEEP/W模塊

SEEP/W模塊是GeoStudio［7］分析軟件的八大模塊之一。在SEEP/W軟件中，通過滲流有限元［8］計算，分析壩坡在不均勻飽和條件與非飽和條件下的孔隙水壓力，也可分析壩坡穩定時瞬態孔隙水壓力。通過瞬態分析，可以得到不同時刻、不同點的孔隙水壓力分布狀況。通過分析孔隙水壓力隨時間變化的結果，研究壩坡、路堤穩定性與時間的關系。本文針對水庫的實際情況，以達西定律為依據，采用SEEP/W軟件對大壩各工況(校核水位工況、設計洪水位工況、正常水位工況和死水位工況)進行滲流分析，求得各工況下的單寬滲流量，并得到浸潤線。滲流分析結果直接應用于壩坡穩定分析計算中。

1.2 SLOPE/W模塊

SLOPE/W也是GeoStudio中的一個模塊。SLOPE/W能分析一系列較復雜的問題，包括在穩定性分析中如何計算孔隙水壓力以及如何應用有限元法進行應力分析等，不僅能拓寬分析的可能性，還能克服極限平衡法［9］的局限性。本文在完成滲流計算的基礎上，通過剛體極限平衡原理，采用SLOPE/W軟件對大壩各工況進行抗滑穩定計算，求得各工況下大壩上、下游壩坡的最小安全系數，分析地震響應作用時大壩的穩定性。

2 工程概況

水庫位于珠江流域南盤江水系巴江支流馬料河支流上。該水庫是一座以農田灌溉為主，兼顧防洪調節、水產養殖等綜合利用的小(2)型水庫。工程區的相應地震基本烈度為Ⅷ度。大壩為均質土壩，最大壩高18.4 m，壩頂高程1 723.4 m，壩頂長200 m，寬5.0 m。水庫控制徑流面積11.5 km2，正常蓄水位1 720.0 m，總庫容30×104 m3。根據SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規定，本水庫屬Ⅴ等工程，主要、次要建筑物級別均為5級。按照GB 50201—94《防洪標準》規定，水庫設計洪水標準為20年一遇，即P=5%，校核洪水標準為200年一遇，即P=0.5%。

大壩安全鑒定時，對洪水進行了復核，結論為:大壩不滿足200年一遇校核洪水及20年一遇設計洪水防洪要求。根據SL 258—2000《水庫大壩安全評價導則》，水庫防洪安全復核鑒定屬于C級，需對水庫進行除險加固。

初擬大壩壩高18.4 m，壩頂高程為1 723.4 m，壩頂長200 m，壩頂寬4.5 m，兩邊設有混凝土路緣及防浪墻;上游壩坡分2個變坡，1 719.0 m高程到壩頂坡比為 1∶2.2，1 719.0 m高程以下坡比為1∶3.493;下游壩坡坡比為1∶2.2，1 707.36 m 高程處為排水棱體得頂部，寬1.5 m，排水棱體坡比為1∶1和1∶1.5。挖除部分原排水棱體后，回填新風化料，以滿足大壩穩定要求。壩體最大橫斷面見圖1。

圖1 大壩橫斷面示意

3 計算分析

3.1 計算參數及模型建立

由于土工試驗采取的是飽和固結快剪，指標偏低，故建議各巖土體的物理力學參數取平均值作為標準值。大壩壩土、壩基分區巖土體物理力學指標見表1。

表1 壩體各區巖土體的物理力學指標

在進行模型計算時，網格數量、疏密和質量及形狀、單元階次等因素的選擇盡可能按照最優原則劃分。單元的長寬比大致控制在1∶1～1∶2之間。建立的大壩結構計算模型見圖2。

圖2 大壩結構計算模型

3.2 滲流分析

建模后，用SEEP/W軟件對壩體進行滲流分析時，首先要確定分析剖面以及斷面材料的滲透參數，壩體剖面采取河床最大斷面。在計算最大剖面滲流狀況時，分別考慮正常蓄水位、校核洪水位、設計洪水位和死水位4種工況。壩體滲流計算成果見表2?，F狀大壩長200 m，從計算結果初步估算，大壩運行期全年理論滲漏量約72 000 m3，全年滲漏量約為總庫容的1/7，滲漏量從除險加固前的315 000 m3減少至72 000 m3，故除險加固帷幕灌漿后水庫的滲漏量已較除險加固前明顯減少，不影響水庫對受益區供水功能的正常發揮，除險加固的目的得到了滿足。

3.3 穩定分析

該工程需要考慮穩定滲流情況下的上、下游壩坡穩定情況和非穩定滲流［10］情況下的上游壩坡穩定情況。本工程只需計算對壩體穩定最不利的工況組合。經分析，該工程大壩穩定計算工況組合見表3。

表2 大壩滲流計算成果

表3 大壩穩定計算工況組合

根據滲流計算結果及斷面材料的滲透參數，用SLOPE/W軟件對壩體的各個工況進行穩定分析，并采用畢肖普法［11］計算出壩體抗滑穩定系數。壩體抗滑穩定安全系數計算結果見表4。設計洪水位壩坡滑移面和設計洪水位壩坡地震作用下滑移面模擬結果分別見圖3、4。從圖3、4可知，在存在危險滑移面的情況下，浸潤線下降幅度明顯，說明壩體沒有發生滲透破壞，且壩體邊坡穩定。

表4 大壩抗滑安全系數

綜上分析，在穩定滲流情況下，上、下游壩坡最不利工況下的除險加固水庫壩體抗滑、抗震穩定安全系數均大于規范要求值，說明除險加固后水庫大壩上、下游壩坡均穩定;在非穩定滲流情況下，上、下游壩坡在最不利工況下的除險加固水庫壩體抗滑、抗震穩定安全系數均大于規范要求值，說明除險加固后水庫在此情況下也是穩定的。以上滲流穩定復核表明，該水庫壩體除險加固設計合理。

圖3 設計洪水位壩坡滑移面

圖4 設計洪水位壩坡地震作用下滑移面

4 結語

土石壩除險加固設計需要進行壩體的滲流穩定復核。本文采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊，結合壩體材料的力學參數進行滲流分析計算，把計算結果直接沿用到壩坡穩定分析中，再通過GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊進行壩體壩坡穩定分析。目前，有許多土石壩正在進行除險加固，土石壩除險加固設計的滲流穩定復核尤為重要，為水庫正常運行提供了有效保障。GeoStudio軟件在計算除險加固水庫壩體的壩坡穩定時即準確又方便，可應用于除險加固壩坡穩定設計復核計算中，為大壩安全評價提供依據。

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