厄坑垅水庫大壩除險加固前后壩體滲流及穩定性分祈

吳恭王

（江西省鄱陽縣水利局　　鄱陽縣　333100）

厄坑垅水庫大壩除險加固前后壩體滲流及穩定性分祈

吳恭王

（江西省鄱陽縣水利局鄱陽縣333100）

土石壩普遍存在壩體填筑不密實、清基不徹底等病險問題，導致大壩滲流和抗滑穩定不滿足安全運行的要求。文章以江西省鄱陽縣石坑垅水庫為例，對除險加固前后大壩壩體滲流及壩坡穩定性進行計算和對比分析，為水庫的施工和運營管理提供指導，為今后同類水庫的除險加固提供借鑒。

均質土壩除險加固滲流抗滑穩定性分析

引言

我國自20世紀50年代以來，修建了超過8萬座各型水庫［1、2］。其中大部分水庫修建于20世紀50～70年代末這一期間，由于當時建設條件、施工技術和管理水平有限，運行至今有接近4萬座水庫出現了不同程度的病險隱患，影響到水庫各項功能的正常發揮，也對下游人民群眾的生命和財產安全構成了嚴重威脅［3］。為此，我國自2001年開始，根據水庫的病險狀況和危害程度，陸續開展了除險加固工作［4］。我國水庫大壩大部分為土石壩［5］，普遍存在壩體填筑不密實、清基不徹底、未采取防滲措施或處理不徹底等問題［6］，導致水庫防洪標準不足、滲流安全不夠和結構強度及抗滑穩定不滿足等病害。下面以江西省鄱陽縣石坑垅水庫為例，對除險加固前后大壩壩體滲流及穩定性進行計算分析，為水庫的施工和運營管理提供指導，為今后同類水庫的除險加固提供借鑒。

1 工程概況

石坑垅水庫位于鄱陽縣東北部金盤嶺鎮，鄱陽湖水系潼津河石坑垅水上。大壩座落在金盤嶺鎮汪橋村，距鎮政府所在地約8km，離鄱陽縣城約60 km，壩址以上控制流域面積4.72km2，壩址以上主河道長度3.59km，主河道平均坡降1.35%，多年平均降雨為1588.6mm。水庫正常蓄水位為48.20m，相應庫容69.65×104m3，設計洪水位為50.24m，相應庫容為105.6萬m3，校核洪水位為50.79m，水庫總庫容為118.0萬m3。水庫大壩為均質土壩，最大壩高14.80m，壩頂高程51.81m～52.24m，壩頂寬度（1.09～2.86）m，壩頂長度76.90m，上游坡采用干砌塊石護坡，下游壩腳為干砌塊石擋土墻。水庫實際灌溉面積100hm2，是一座以灌溉為主，結合防洪、養殖等綜合利用的小（Ⅰ）型水庫工程。

2 大壩滲流計算分析

由于水庫大壩無滲流觀測設施，現有資料不足以評估大壩的安全性，為了準確評價大壩在各種運行工況下的安全性，給水庫的除險加固提供科學依據，現根據地質勘探資料和土工測試資料，對大壩各種設計工況通過計算分析來了解大壩的滲透性。

2.1計算斷面選取和滲透指標

根據大壩原始地形及現狀實際運行情況，結合本次地質鉆探工作，便于對加固前后滲流情況對比，加固后設計復核計算斷面與現狀復核計算均選取大壩樁號0+026.5斷面。大壩加固后，計算斷面滲透分區與現狀斷面主要不同之處在于增加了壩中常態混凝土心墻防滲系統和加高加固了大壩壩體。滲透穩定分析時保留的原有各土層滲透試驗指標取值同現狀計算分析時一致，滲透系數取用地質參數建議值。對于常態混凝土防滲墻滲透系數指標取用設計值為1×10-7cm/s，允許抗滲比降按經驗取60。大壩計算斷面滲透分區的滲透指標見表1。

表1　加固前后大壩典型斷面各分區滲透指標表

2.2計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》SL274—2001的規定，土壩的滲流計算應考慮水庫運行中出現的不利情況，石坑垅水庫正常蓄水位48.20m，設計洪水位為50.24m，校核洪水位為50.79m；因加固前大壩壩頂高程最低為51.81m，小于校核洪水位50.79m，故本次穩定滲流計算中考慮下列水位組合情況：工況1：上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；工況2：上游設計洪水位與下游相應的水位；工況3：上游校核洪水位與下游相應的水位；工況4：庫水位降落時上游壩坡穩定最不利的情況。

2.3計算結果

大壩加固前后滲流復核計算采用理正巖土滲流分析計算軟件（5.2版），該軟件基于二維穩定-非穩定滲流理論，用有限元法求解滲流水頭并計算滲漏流量。各透水性土層按多孔介質，滲透系數按各向異性考慮。按不同工況組合進行計算，可得到各工況下的滲流等勢線和大壩的浸潤線位置圖以及單寬滲流量，再根據等勢線和浸潤線位置推求壩體及壩基的出逸坡降。大壩加固前典型斷面滲流復核計算結果見圖1和表2，大壩加固后典型斷面滲流復核計算結果見圖2和表3。

圖1　大壩典型斷面加固前穩定滲流流網

2.4結果分析

由圖1和表2可以看出：加固前該斷面附近壩段壩身防滲性能差，在各種工況浸潤線穿過壩體時沒有明顯跌落，整條浸潤線相對較平緩，且在下游坡逸出點較高，大部分位勢都集中在下游壩體，造成下游壩體承受較大的水頭壓力。經分析，出現上述滲流性態的原因，主要與該斷面土層滲透指標及壩體厚實度密切相關，大壩施工時采用人工填筑，無機械碾壓，壩體防滲土滲透系數大值平均值為3.14×10-4cm/s，算術平均值為1.40×10-4cm/s，大于規范均質壩防滲土的要求1.0×10-4cm/s，且下游未設排水體，故造成浸潤線相對較平緩；加之壩頂狹窄，上下游壩坡較陡，壩體不夠厚實，造成浸潤線在下游壩坡上出逸點位置較高，且大部分位勢集中在壩體的后半部分，存在滲流安全隱患。

表2　大壩典型斷面加固前滲流復核計算成果

圖2　大壩典型斷面加固后穩定滲流流網

表3　大壩加固后典型斷面滲流復核計算成果

由圖2和表3可以看出：大壩加固后的滲流流網揭示大壩高水位滲流性態符合心墻防滲土石壩滲流規律，浸潤線在心墻前后急劇跌落，心墻削減總水頭50%以上，常態混凝土心墻后下游壩體浸潤線較加固前大大降低。從表3可以看出，常態混凝土心墻承受最大滲透比降分別為：正常蓄水位時10.34，設計洪水位時13.45，校核洪水位時14.15，均小于混凝土心墻允許抗滲比降經驗值［J］=60，滿足規范要求。浸潤線在下游貼坡排水體中出逸，而且各工況大壩計算單寬滲漏量均較加固前有所減小，說明大壩防滲加固大大改善了大壩滲流狀況。

3 大壩壩坡穩定分析

3.1計算斷面選取和壩體材料指標

根據大壩原始地形及現狀實際運行情況，為與滲流穩定計算斷面對應，本次大壩壩坡穩定分析仍選擇0+026.5該斷面作為典型計算斷面，計算斷面壩坡抗滑穩定安全系數。本次大壩壩坡穩定計算采用《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）推薦的計其條塊間作用力的簡化畢肖普法，穩定滲流期采用有效應力法對下游壩坡進行穩定計算；水位降落時分別采用總應力法對上游壩坡進行穩定計算。本次計算中的有效應力法為簡化法（即容重代替法），即在壩坡抗滑穩定計算時令孔隙水壓力為零而將孔隙水壓力包含在土體重量的計算之中。本次分析中使用的有關計算參數取值以本次室內土工試驗統計成果為主，無試驗資料的參考類比同類工程取用地質參數建議經驗值。大壩加固前、后各筑壩土料的物理力學指標分別見表4和表5。

3.2計算工況

計算工況分正常運用和非常運用兩種情況，根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的規定，結合石坑垅水庫現狀壩頂高程小于校核洪水位的實際情況，現狀壩坡抗滑穩定復核只考慮正常運用工況，加固后壩坡抗滑穩定復核考慮正常運用和非常運用兩種情況。

表4　大壩加固前抗滑穩定分析各分區材料物理力學指標采用值

表5　大壩加固后抗滑穩定分析各分區材料物理力學指標采用值

3.2.1正常運用工況

工況1：水庫水位為正常蓄水位48.20m，相應下游水位取下游地面高程或最低水面高程，大壩形成穩定滲流時的下游壩坡；工況2：水庫水位為設計洪水位50.24m，相應下游水位取下游地面高程或相應水面高程，大壩形成穩定滲流時的下游壩坡；工況3：水庫水位由正常蓄水位48.20m降至死水位41.42m，形成非穩定滲流時的大壩上游壩坡；工況4：自設計洪水位50.24m降落至死水位41.42m，形成非穩定滲流時的大壩上游壩坡。

3.2.2非常運用工況

工況5：水庫水位為校核洪水位50.79m，相應下游水位取下游地面高程或相應水面高程，大壩形成穩定滲流時的下游壩坡；工況6：水庫水位由校核洪水位50.79m降至死水位41.42m，形成非穩定滲流時的大壩上游壩坡。

3.3計算結果及分析

本工程壩坡抗滑穩定計算分析采用北京理正軟件《理正邊坡穩定驗算系統》（5.2版）由微機進行計算。該軟件采用有效應力法和總應力法得到簡化畢肖普法的計算結果，符合《碾壓土石壩設計規范》（SL274-2001）的要求。大壩建筑物級別為4級建筑物，根據碾壓土石壩規范其安全評價標準正常運用條件下壩坡抗滑穩定安全系數應不小于1.25；非常運用條件下壩坡抗滑穩定安全系數應不小于1.15。大壩典型斷面加固前、后邊坡穩定計算結果見表6。

表6　大壩壩坡穩定計算成果

從表6加固前壩坡抗滑穩定計算成果來看，大壩所選擇的典型計算斷面，在正常蓄水位和設計洪水位（正常工況）工況下形成穩定滲流的下游坡整體抗滑穩定均不滿足規范要求；由正常蓄水位和設計洪水位（正常工況）工況降落至死水位工況下形成非穩定滲流的上游壩坡整體抗滑穩定能滿足規范要求。由加固前滲流穩定分析可知，壩體、壩基土料防滲性能較差，浸潤線穿過壩體時沒有明顯跌落，整條浸潤線較為平緩，且在下游壩坡的出逸點位置較高，加之壩體施工時填筑質量較差，其抗剪強度指標偏低，從而影響下游壩坡的整體抗滑穩定。從表6加固后壩坡抗滑穩定計算成果來看，加固后大壩壩坡抗滑穩定安全系數在各種計算工況下均滿足規范要求，故加固后大壩的壩坡抗滑穩定滿足規范要求。

4 結　論

通過對除險加固前后大壩典型斷面的滲流和壩坡穩定性計算和對比分析，得出如下結論：加固前典型斷面附近壩段壩身防滲性能差，在各種工況浸潤線穿過壩體時沒有明顯跌落，整條浸潤線相對較平緩，且在下游坡逸出點較高，大部分位勢都集中在下游壩體，造成下游壩體承受較大的水頭壓力，存在滲流安全隱患；加固后浸潤線在心墻前后急劇跌落，心墻后下游壩體浸潤線較加固前大大降低，浸潤線在下游貼坡排水體中出逸，而且各工況大壩計算單寬滲漏量均較加固前有所減小，說明大壩防滲加固大大改善了大壩滲流狀況；加固前壩坡典型斷面在正常蓄水位和設計洪水位工況時，下游坡整體抗滑穩定均不滿足規范要求，上游壩坡整體抗滑穩定能滿足規范要求；加固后壩坡抗滑穩定安全系數在各種計算工況下均滿足規范要求。

［1］鈕新強.水庫病害特點及除險加固技術［J］.巖土工程學報，2010，32（1）：153-157.

［2］楊啟貴，高大水.我國病險水庫加固技術現狀及展望［J］.人民長江，2011，42（12）：6-11.

［3］莊稼.小型水庫抗洪能力復核及處理方案分析［J］.湖南水利水電，2009，（3）：55-57+66.

［4］盛金保，沈登樂，傅忠友.我國病險水庫分類和除險技術［J］.水利水運工程學報，2009，（4）：116-121.

［5］王祖強，張貴金，王明，等.用FLAC3D模擬流固耦合評價病險土壩防滲加固效果［J］.湖南水利水電，2009，（2）：41-43.

［6］戚印鑫.克克其汗水庫除險加固工程大壩滲流和結構安全分析［J］.水利與建筑工程學報，2013，11（6）：199-202.

吳恭王（1967-），男，江西鄱陽人，大學本科，工程師，研究方向：水利水電工程規劃設計、工程管理。

（2016-07-23）