WLQ小二型水庫大壩滲流穩定計算

◎ 陳瑜 漆文邦 徐凱

WLQ小二型水庫大壩滲流穩定計算

◎ 陳瑜1漆文邦1徐凱2

小二型水庫在我國數量眾多，大多數病險水庫建造于上世紀50～70年代，運行到目前為止問題較多。本文以某一小二型水庫為研究對象，采用理正軟件計算大壩滲流及穩定，可為確定小二型水庫大壩病險，提出加固措施提供參考。

工程概況

WLQ水庫為小二型水庫，樞紐由大壩、溢洪道、輸水涵洞三部分組成。水庫地處牟定縣鳳屯鎮，所在河流屬于龍川江水系中游左岸支流龍川河支流，工程區屬于亞熱帶半濕潤高原季風氣候區，旱、濕季節分明，降水主要集中在7～10月份。

WLQ水庫壩址以上控制徑流面積為0.5km2，整個流域大致成扇形，河谷呈V型，具有顯著的山區河流特征。大壩為均質土壩，現狀壩高28m，壩頂高程1965.50m（平均），壩軸線長約121.93m，壩頂長度122m，壩頂平均寬2.5m，壩頂為土質路面，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.8，上下游無人行梯步，下游設有排水體。水庫原設計總庫容13.5萬m3，為小二型水庫，工程設計標準為五等五級。設計洪水標準為二十年一遇，校核洪水標準為二百年一遇。

基于理正軟件的滲流穩定分析原理

（1）滲流計算原理。穩定期的計算方法如下：

計算單寬流量的公式為：

在無限深透水地基的情況下，浸潤線的計算考慮透水地基的有效深度：

（2）穩定計算原理。大壩穩定計算按有效應力法計算。地震作用力按相關規定進行計算。滑弧土體的地震荷載按擬靜力法考慮，在土條上直接作用其地震慣性力只考慮順河流方向的地震作用。

計算采用簡化的畢肖普法計算。

簡化畢肖普法：

Fs——安全系數；mai——第 i個條塊的計算系數；ai——第i個條塊底部的傾角；Wi——第i個條塊的重量；Ci——第i個條塊的粘聚力；bi——第i個條塊的長度；ui——第i個條塊的孔隙水壓力；'iφ——第i個條塊的有效內摩擦角；Qi——第i個條塊所受的水平向作用力；ei——第i個條塊所受的法向條間力；R——滑面半徑。

除險加固前大壩滲流穩定計算

因大壩為均質土壩，首先考慮按均質土壩做壩坡穩定分析計算。根據地質勘探資料及土工試驗結果，雖然壩料不均勻，但勘察中找不到壩體分區設計填筑施工的界限，只能區分壩體與基礎的層面。

根據壩體填筑土料的物理力學指標，結合壩基情況，穩定計算將大壩壩體、壩基分為三區考慮對應的計算指標，以客觀反映大壩的實際情況。具體分區及物理力學指標如下表1、表2。根據規范采用簡化的畢肖普法計算各種工況，抗滑穩定最小安全系數為：正常運用：K=1.25；非常運用條件Ⅰ：K=1.15；非常運用條件Ⅱ：K=1.10。

水庫常年處于低水位運行，現狀日常蓄水高程為1964.00m，以1964.00m為正常蓄水位，計算得設計洪水位1965.01m，校核洪水位1965.39m。

地震設防烈度為Ⅶ，地震動峰值加速度值為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s。

圖1 正常蓄水位下壩體的浸潤線

表1 土體物理力學指標建議值表

表2 巖體物理力學指標建議值表

表3 正常蓄水位壩體內計算浸潤線

表4 壩坡抗滑穩定計算成果表

表5 加固后壩坡穩定復核土料物理力學性指標

大壩在正常蓄水位下的滲流計算結果見圖1、表3，各種工況下大壩的抗滑穩定計算結果見表4。

由計算結果可知，在正常蓄水位下，壩體及壩基單寬日滲流量Q0 =0.214m3/m.d，大壩壩體壩基年平均滲漏量估算約9529.42m3，約占正常庫容的8.36%。存在較大滲流問題。壩體下游坡浸潤線逸出點出逸坡降J=0.473（Gs=2.71 n=0.401），壩體下游順坡面臨界坡降為1.024。考慮大壩土料特性，滲透安全系數取K=2，相應容許坡降為[J]= 0.512，由于J＜[J]，在浸潤線逸出點不發生滲透變形。

WLQ水庫因上下游坡度較陡，壩高較大，上游校核水位降至死水位、下游正常蓄水位、設計水位、正常蓄水位加7度地震、校核水位工況下相應的抗滑穩定安全系數均小于相應的規范值，水庫存在抗滑穩定安全問題。

除險加固措施

上游壩坡按1∶2.0進行黏土料培厚，下游壩坡按1∶2.0進行風化料培厚；整平水庫大壩壩頂，壩頂設2%橫坡傾向下游。上游壩坡清除植物根系層，在下游鋪設黏土料，然后鋪設矩形混凝土護面（厚100mm），在面板中下部各設一道混凝土齒墻，新建上壩梯步。下游在壩坡中部增設馬道和排水溝，壩面重新植種優質草皮支護，壩面下部新建下壩梯步、排水溝和貼坡排水。

大壩滲漏是由于大壩壩基清淤不夠徹底、壩體填筑質量較差、壩體土層滲透系數偏大等原因造成的。因此可對大壩壩體采用充填灌漿，并深入壩基1.5m的防滲處理方案，充填灌漿底部高程為壩基以下1.5m，灌漿上限為1965.50m高程（現壩頂高程）；大壩壩基采用帷幕灌漿，并深入壩基10Lu線以下的防滲處理方案，灌漿上限為1965.50m高程（現壩頂高程）。壩體充填灌漿沿壩頂壩軸線布置兩排灌漿孔，孔距1.5m，從左壩肩至右壩肩，全長122m。壩體帷幕灌漿沿壩頂壩軸線布置兩排灌漿孔，孔距3.0m，從左壩肩至右壩肩，全長122m。防滲灌漿在放空庫水位后進行，灌漿完成后再行壩頂路面施工。充填灌漿和帷幕灌漿各項技術參數在灌漿前尚需在施工初期通過灌漿試驗調整和確定。

表7 加固后土壩安全系數復核成果

除險加固后的大壩滲流穩定分析

除險加固后根據壩址地質剖面和各層基礎物理力學指標，大壩滲流穩定計算參數見表5，大壩除險加固后滲流穩定計算結果見表6。

表6 滲流計算結果

根據計算結果可知，大壩加固后，各種計算工況下大壩的滲透坡降均小于允許滲透坡降0.512，大壩局部滲流是穩定的，不會發生滲透破壞；滲流量與加固前相比有所減少。大壩上下游在各種工況下的抗滑穩定安全系數計算值都大于相應的規范值，說明除險加固措施正確有效。

對于小二型水庫的除險加固是為了防止事故的發生和更好的利用水庫資源，而除險加固工程的設計是對除險加固工程施工起主導性作用的，通過分析發現大多數的問題水庫都是壩體的問題。對小二型水庫除險加固過程中，做好大壩的滲流穩定分析，針對相應問題提出加固措施，有利于水庫的高效除險加固。

1.四川大學水利水電學院；2.四川蜀禹水利水電工程設計有限公司)