桎木水庫大壩滲流與穩定分析

羅澤旻

（婁底市水利水電勘測設計院　婁底市　417000）

桎木水庫大壩滲流與穩定分析

羅澤旻

（婁底市水利水電勘測設計院婁底市417000）

滲流安全是大壩穩定的保證，沒有滲流安全就沒有大壩安全。文章通過對桎木水庫大壩最大壩高處斷面進行滲流及壩坡穩定分析計算，其結果為水庫大壩壩身與壩基處理提供依據，采取相應措施進行滲流控制。

桎木水庫土壩滲流分析壩坡穩定分析

1 工程概況

桎木水庫位于婁底市婁星區茶元鎮桎木村，處于湘江水系漣水河支流檀山灣河春溪上游，北依桎木大山、南傍槐柳山。水庫大壩控制集雨面積3km2（其中外引0.8km2），由引水渠控制引水。大壩為均質土壩，壩頂高程180.50m，最大壩高25.5m，壩頂軸長280m，最大壩底寬度129.6m，壩頂寬度3.8 m。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵管等組成，是一座以灌溉為主，結合防洪、養魚及季節性供水等綜合利用的小（I）型水利工程。

在水庫運行過程中，經檢查發現，存在如下問題：①大壩散浸嚴重；②大壩接觸面滲漏嚴重，同時存在壩基滲漏和左右岸壩端繞壩滲漏。

2 大壩滲流分析

2.1計算斷面的確定

大壩滲流計算斷面為大壩最大壩高斷面，該斷包含該壩址處所有地質情況，具有較為可靠的地質鉆孔資料和土工試驗結果，因此將該斷面作為典型斷面進行計算分析。其計算斷面形狀見圖1。

2.2滲透指標的確定

本次計算斷面的滲透分區主要根據地質勘探的結果，按照現場所取原狀樣的室內土工試驗及現場注水試驗，綜合大壩建設和運行管理情況，將大壩計算斷面劃分為5個滲透分區，滲透分區情況見圖1，各滲透分區材料的水平、垂直滲透系數見表1（水平滲透系數根據現場注水試驗確定，垂直滲透系數參照水平滲透系數根據實際工程經驗確定），給水度μ計算公式如下：

μ=1.137n（0.0001175）0.60/（°）

式中μ——給水度；

n——孔隙率。

表1　桎木水庫大壩計算斷面滲透分區指標

2.3計算程序說明

本次大壩滲流計算分析采用南京水科院的二維非穩定滲流及壩坡穩定分析有限單元法程序UNSST2（UnsteadySeepageandStability）。

2.4滲流計算

2.4.1滲流計算工況的確定

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）第7.1.2條規定：滲流計算時應考慮水庫運行出現的各種不利條件。本次滲流計算分析按以下工況進行：

①上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；②上游設計洪水位與下游相應的水位；③上游校核洪水位與下游相應的水位；④上游為1/3壩高水位與下游相應的水位；⑤庫水位驟降時，對上游壩坡穩定最不利的情況。

2.4.2穩定滲流計算內容及結果

本次穩定滲流計算按正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位及1/3壩高水位等四種控制水位進行復核、分析，其計算結果及滲流運行狀況見圖2。

圖2　穩定計算結果及滲流運行狀況

2.4.3非穩定滲流計算內容及結果

（1）降水曲線的確定。

假設時段內無降雨，輸水涵洞以允許最大流量快速往下游宣泄庫水。將庫水位降落期分成6個時段進行非穩定滲流計算，各時段的上游水位值及相應的時間間隔見表2。

（2）非穩定滲流計算結果。

本次非穩定滲流計算按以下兩種工況進行分析：

工況1：水庫水位自正常蓄水位178.50m驟降至死水位，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m；滲流運行狀況見圖3。

表2　桎木水庫大壩非穩定滲流計算時段及水位

圖3　工況1滲流運行狀況

工況2：水庫水位自校核洪水位179.71m驟降至死水位，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m；滲流運行狀況見圖4。

圖4　工況2滲流運行狀況

（3）計算成果分析。

壩坡滲出點的臨界滲透坡降可按下式計算：

式中γ——水容重，取γ=10KN/m3；

γ′1——壩體填土的浮容重，取γ′1=18.7KN/m3；

C——壩體填土的凝聚力；

Φ——壩體填土的內摩擦角；

β——下游坡腳。

計算成果見表3。

3 大壩壩坡抗滑穩定分析

3.1分析方法及計算程序說明

由于大壩為均質土壩，大壩壩坡整體穩定分析可根據《土工原理與計算》、《碾壓土石壩設計規范》采用簡化畢肖普法或瑞典圓弧法計算壩坡抗滑穩定安全系數。本次壩坡抗滑穩定計算采用北京水科院陳祖煜同志編的《STAB1》壩坡穩定分析程序微機版，該程序可以進行土石壩和土坡的施工竣工期、穩定滲流期、庫水位降落期的有效應力法和總應力法分析。《STAB1》程序可以同時用畢肖普法、瑞典圓弧法、改良瑞典圓弧法（羅厄法和美國工程師兵團法）算出圓弧滑裂面的安全系數，安全系數分別用AB1、AB、AB3、AB4表示，并找出相應于瑞典圓弧法的最小安全系數及其相應的圓弧滑裂面的位置。

表3　桎木水庫大壩最大斷面滲流計算成果表

3.2計算斷面及參數指標的確定

大壩壩坡抗滑穩定計算斷面同滲流分析計算斷面。計算斷面根據地質勘探結果，按照現場所取原狀樣的室內土工試驗及鉆孔柱狀圖，綜合大壩建設和運行管理情況確定穩定計算各材料的分區及指標，各材料分區各種物理力學指標見表4。

表4　桎木水庫大壩計算斷面穩定計算材料分區指標

3.3壩坡抗滑穩定計算內容及結果

3.3.1壩坡抗滑穩定計算工況的確定

依照《碾壓式土石壩設計規范》（SL278-2001）的要求和桎木水庫實際運用情況，對斷面抗滑穩定分別進行了下列工況的計算：①穩定滲流期的下游壩坡；②水庫水位驟降期的上游壩坡。

（1）正常運行分三種情況

①正常蓄水位178.50m下形成穩定滲流時的下游壩坡穩定；下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計算結果見圖5（a）；②設計洪水位179.41 m下形成穩定滲流時的下游壩坡穩定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計算結果見圖5（b）；③庫水位為1/3壩高水位164.50m下形成穩定滲流時上游壩坡穩定；下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計算結果見圖5（c）。

圖5　正常運行三種情況

（2）非正常運行分三種情況

①校核水位179.71m下有可能形成穩定滲流時的下游壩坡穩定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計算結果見圖6（a）；②水庫水位自正常蓄水位178.50m驟降至死水位時的上游壩坡穩定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計算結果見圖6（b）；③水庫水位自校核洪水位179.71m驟降至死水位時的上游壩坡穩定，下游邊界取下游地面出滲高程為水位156.50m，計算結果見圖6（c）。

3.3.2計算結果

計算成果見表5。

圖6　非正常運行三種情況

由以上計算結果可知：正常運行情況下，上游水位為正常蓄水位和設計洪水位時，下游坡抗滑穩定安全系數小于規范允許值，壩坡不能滿足穩定要求；校核洪水位時，下游壩坡抗滑穩定安全系數略大于規范要求；庫水位為1/3壩高時上游壩坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求。非常情況下庫水位自正常水位和校核水位驟降至死水位時上游坡處于最危險狀態，其最小安全系數分別為1.252和1.226，大于規范允許值。因此，在各運行工況下，桎木水庫大壩下游壩坡抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，上游壩坡抗滑穩定安全系數滿足規范要求。

4 結語

本文通過對桎木水庫大壩典型斷面進行滲流計算，得出在各特征水位下壩體浸潤線圖、單位壩段恒定滲流量及下游壩坡的溢出坡降。由于大壩壩體填筑質量差，透水性較大，穩定滲流情況下大壩內浸潤線較高。但該斷面滲流計算結果表明大壩壩體內部穩定滲流最大滲透坡降值極值為0.40，非穩定滲流最大滲透坡降值極值為0.30，發生位置均為壩體內部，其值都小于允許滲透坡降，因此，大壩壩體不存在局部滲透破壞的可能性。在滲流計算分析結果下進行大壩穩定分析計算，得出大壩在正常蓄水位和設計洪水位時，下游坡抗滑穩定安全系數小于規范允許值，壩坡不能滿足穩定要求，因此，在水庫除險加固中，要積極采取防滲措施對壩身和壩基進行滲流控制，以保障大壩穩定安全。

表5　桎木水庫大壩最大斷面壩坡穩定計算成果表

［1］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［2］中華人民共和國水利部.碾壓土石壩設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［3］劉杰，武建萍，高麗梅.水庫除險加固后大壩的滲流穩定分析［J］.內蒙古農業科技，2010，（01）：57.

羅澤旻（1979-），男，大學本科，工程師，主要從事水工設計工作，手機：13507381211。

（2016-08-03）