某水庫上游圍堰穩定分析

姜從偉，漆文邦，費文平，虎 珀，米韻潭

（四川大學水利水電學院，四川 成都 610065）

1 工程概況

某水庫位于巴河支流-恩陽河中游河段，壩址位于恩陽區兩路村、高岸村境內。本樞紐工程規模屬大（2）型，工程等別為II等，主要建筑物大壩（擋水、泄水、消能建筑物）、廠房建筑物、魚道出口壩段為2級；魚道（非出口壩段）、廠房尾水渠、下游河道護岸以及其他次要建筑物等為3級。工程以防洪為主，兼顧發電，改善下游供水條件。

該水庫的圍堰分上游橫向土石圍堰、縱向混凝土圍堰和下游橫向土石圍堰依附右岸呈半包圍形式布置。上游橫向土石圍堰起點布置在混凝土縱向圍堰上游段右側距壩軸線上游約50 m處，終點布置在右岸岸坡距壩軸線上游約65 m處。二期上游橫向圍堰軸線長約85.0 m，圍堰頂高程353.1 m，頂寬8.0 m，最大堰高12.1 m。圍堰型式為土石圍堰，上下游邊坡均為1∶1.5，堰體采用粘土心墻+高壓噴射灌漿防滲。二期圍堰設計標準采用12月～次年3月10年一遇洪水標準，相應洪峰流量71.5 m3/s，對應上游水位為352.40 m，下游水位為343.20 m。

該水庫樞紐項目于2018年10月30日開始填筑上游二期橫向土石圍堰，施工過程按照已批復的圍堰施工方案進行，并于2018年12月1日完成了攏口填筑施工。2018年12月2日~12月5日未發現圍堰有滲漏現象。2018年12月6日，圍堰出現滲漏，滲流量為0.3 m3/s~0.4 m3/s，此時，庫區水位為350.40 m，最大水深9 m。滲流出口位于背水側攏口中心底部，經水下探查滲流入口位于攏口迎水側中心距河床底3 m左右，初步判斷主要滲漏位置集中在攏口部位。

1）圍堰合攏時，攏口心墻位置清理戧堤石渣因在水下作業，同時河床基巖凹凸不平，將河底石塊清理干凈有很大難度，導致清基不徹底。2）心墻粘土含砂量較高，粘土中大于5 mm顆粒較多，塑性指數較低，遇水后粘結度差，水壓大時易松散，水位上升后在水壓的作用下擊穿心墻并形成漏水通道。3）在圍堰合攏施工過程中，由于水流速度較大，填筑的細粒料被水流帶走，在底部形成一定的粗粒料架空層。

2 模型建立

為進一步分析在當前滲漏條件下，上游圍堰的壩坡穩定性和滲流穩定性，需根據工程實際情況，分析上游圍堰的滲流場，評價其上下游邊坡的穩定性，并考慮在設計最大流量及最大壩高條件下，圍堰的壩坡穩定性和滲流穩定性。采用GEOSTUDIO二維平面模型進行有限元分析。

計算坐標系原點取在出口底板與壩橫0~0.557 m的交線上，X為從下游指向上游方向，以出口處為零點，Y方向為鉛直向上方向。二維模型所取的計算范圍為-24 m≤X≤140 m，334 m≤Y≤上部結構實際高程。采用二維平面單元，進行圍堰及地基的二維滲流穩定分析。根據巖土工程勘察報告試驗結果，現將上游圍堰的斷面概化分區，共分成6個區域，分別為粘土心墻區，上下游石渣堆石區，上下游大石塊壓腳，泥質粉砂巖基礎。計算擬采用的材料參數如表1所示。

表1 不同分區材料力學物理力學參數

3 滲流分析

采用SEEP/W軟件對該圍堰加高前和加固后進行滲流分析，求得各工況下的單寬滲流量和浸潤線，根據滲流分析結果并應用于壩坡穩定分析計算中。

在當前水位條件下，圍堰下游的滲漏單寬流量為0.098m3/(s·m)，在設計水位條件下，圍堰下游的滲漏單寬流量為0.16 m3/(s·m)，比當前水位及壩高情況下的滲漏量增加量不大。

圖1 當前水位下穩定滲透水頭等值線

圖2 設計水位下穩定滲透水頭等值線

4 穩定分析

通過對該水庫圍堰的二維模型在正常水位和加高后在設計水位的計算工況下，運用Geostudio軟件中的SLOPE/W模塊中選取SEEP/W模塊中得到的浸潤線，搜索該圍堰壩內潛在的滑動面，計算得到該圍堰在現狀水位350.26 m和加高后設計水位352.4 m高程下的最危險滑動面穩定性系數見表1，壩坡最危險的滑移面和滑弧圓心見圖3~圖6。當前水位運行工況下，上下游邊坡最危險滑動面穩定系數都大于最小安全系數；在設計水位運行工況下，上下游邊坡最危險滑動面穩定系數都大于最小安全系數。滿足規范要求。

圖3 當前水位運行工況上游邊坡穩定計算成果圖

圖4 當前水位運行工況下游邊坡穩定計算成果圖

圖5 設計水位圍堰上游邊坡穩定計算成果圖

圖6 設計水位圍堰下游邊坡穩定計算成果圖

表2 最危險滑動面穩定性系數計算結果表

5 上游圍堰變形監測資料分析

根據該水庫上游圍堰工程的實際情況，分別在左岸、中部和右岸側布置了3個的變形監測點，用于監測圍堰在運行期變形規律，其中w左、w中、w右分別為3個變形觀測點，X方向為順河方向，Y方向為橫河方向，Z為豎向。圍堰的變形主要發生在2月1號之前，后面已經趨于穩定。

圖7 X方向累計變形情況

圖8 Y方向累計變形情況

圖9 Z方向累計變形情況

6 結論及建議

6.1 結論

通過對該水庫上游圍堰在當前水位及設計水位條件下，滲流穩定和壩坡穩定的分析，以及圍堰變形監測資料的分析，可得到以下結論：

1）該圍堰在設計水位工況下與在當前水位運行工況下的滲漏量相比，增加量不大。

2）圍堰的上、下游壩坡最危險滑動面穩定安全系數滿足規范要求。

3）圍堰變形監測成果表明，圍堰主要變形發生在2月1日之前，此后的累計變形趨于平緩，目前已進入穩定狀態。

6.2 建議

1）處理措施建議在圍堰下游漏水處設置壓滲平臺，壓滲平臺尺寸大于龍口寬度，厚度約為3 m。在龍口前面鋪蓋位置順河向和橫河向大于龍口寬度一定范圍內先拋填麻袋裝粘土，然后再直接拋填粘土。

2）為確保圍堰在運行期的穩定性，特別是在超標洪水條件下的安全運行，建議采用以下應急預案：

①加強監測。在該水庫上游橫向圍堰主要監測項目包括：壩體垂直位移、水平位移監測，以及圍堰下游合龍位置滲流流量監測。

②險情監測與巡查。險情檢測內容主要包括：圍堰下游附近，有無陰濕、滲水、管涌、流土或隆起現象。滲水點滲水量有無變化、滲水顏色、渾濁度、酸堿度有無變化。圍堰監測設施是否完好。觀測頻次原則上按正常情況下每天觀測1次，特殊情況下（水庫水位驟變、地震、暴雨等）按每天觀測2～3次或根據現場情況，另作要求。

③備用設備。當圍堰滲漏流量較大時，建議準備備用水泵和柴油發電機做應急處理。