阮小洼水庫大壩滲流與穩(wěn)定分析

戴秋華，傅朝康

（1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061；2.上海市水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督中心站，上海200237）

1 工程概況

阮小洼水庫位于溧陽市上興鎮(zhèn)澗東村，屬太湖流域湖西地區(qū)。該水庫集水面積1.2km2，干流長度1.2km，干流坡降0.014，總庫容33.94萬m3，興利庫容13.39萬m3，是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫。

該水庫1964年建造，人工挑筑而成，為均質(zhì)黏性土壩。1層素填土（堤壩土）密實度差，均勻性差，滲透性不均勻，滲透性等級為中等透水，工程力學(xué)性質(zhì)差；2層粉質(zhì)黏土，強度低，均勻性較好，但滲透性較大，滲透性等級為中等透水，工程力學(xué)性質(zhì)差；3層黏土，強度較高，均勻性較好，滲透性小，滲透性等級為極微透水，工程力學(xué)性質(zhì)一般；4層黏土，該層強度較高，均勻性好，滲透性小，滲透性等級為極微透水，工程力學(xué)性質(zhì)好。5層含黏土碎石，密實性好，滲透性小，滲透性等級為極微透水。大壩斷面各土層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1。

表1 土層物理特性取用

2 土壩滲流計算分析

本文將對阮小洼水庫進行滲流計算及抗滑穩(wěn)定計算，通過AutoBank軟件確定大壩的出逸高度h0（m）、單寬滲流量q（m3/s·m）、逸出點水力坡降J及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k，最終通過這幾個參數(shù)與規(guī)范允許值進行比較，來確定當前水庫大壩的滲流及穩(wěn)定狀態(tài)是否滿足大壩安全運行的條件。

2.1 理論模型與邊界條件

考慮水和土的壓縮性，符合達西定律的二向非均質(zhì)各向異性土體滲流，其基本方程為：

當式（1）為土壩非穩(wěn)定滲流基本方程，水和土不可壓縮時，采用式（2）：

當式（2）為土壩穩(wěn)定滲流基本方程［1-2］。

式中 h0為邊界水頭；z為浸潤線上各點的幾何縱坐標值；n為邊界的外法線方向。

2.2 計算模型

AutoBank是由河海大學(xué)研制的一款有限元軟件，專業(yè)特點強。針對土石壩、堤防等水工建筑物，該軟件可進行滲流與穩(wěn)定分析計算。軟件在滲流、變形、穩(wěn)定計算等方面進行綜合，綜合后的各計算步驟吻合度較高，極大方便了實際運用的水利工程［3］。

根據(jù)大壩斷面高度結(jié)合滲水現(xiàn)象等因素選取剖面3-3’作為滲流復(fù)核計算典型斷面。大壩基本結(jié)構(gòu)斷面如圖1。

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圖1 大壩基本結(jié)構(gòu)斷面

2.3 計算工況

根據(jù)SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，滲流計算水位組合情況如表2。

表2 水位組合

2.4 計算成果分析

各工況下壩體總水力坡降分布如圖2～圖5。

圖2 正常工況總水力坡降分布

圖3 設(shè)計工況總水力坡降分布

圖4 校核工況總水力坡降分布

圖5 水位降落期工況總水力坡降分布

表3 大壩滲流穩(wěn)定計算成果

（1）穩(wěn)定滲流期壩體計算結(jié)果。庫水位為29.7m（正常蓄水位）、31.45m（設(shè)計水位）、31.15m（校核洪水位）時的壩體穩(wěn)定滲流，壩體允許滲透比降［J］均大于逸出點水力坡降值，浸潤線下游逸出點位于下游平臺下，因此3種工況下的大壩滲流性態(tài)均滿足規(guī)范要求。

（2）非穩(wěn)定滲流期壩體計算結(jié)果。庫水位由設(shè)計水位31.45m降至正常蓄水位29.7m高程，水位降落方式為驟降，大壩的出逸高度為0.417m，壩體允許滲透比降［J］大于逸出點水力坡降值，浸潤線下游逸出點位于下游平臺下，因此在降落期工況下的大壩滲流性態(tài)滿足規(guī)范要求。

由上述分析可知，阮小洼水庫在各個工況下大壩滲流滿足規(guī)范要求，不存在發(fā)生滲透破壞的可能［4］。在同一斷面及下游水位相同的情況下，出逸高度、單寬滲流量、逸出點水力坡降值的大小，主要取決于上游水位的高度，上游水位越高，各個參數(shù)的值越大，大壩的滲流性態(tài)越不安全。

3 壩坡穩(wěn)定分析

3.1 穩(wěn)定計算原理

本次壩體結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定分析選取大壩3-3’作為典型斷面，采用簡化畢肖普圓弧滑動法進行計算。簡化畢肖普法的原理是，假定壩坡滑動面為圓弧，同時假定各土條底部滑裂面上的抗滑安全系數(shù)均相同，都等于整個滑裂面上的平均安全系數(shù)［5］。

圖6 條分法計算

由圖6可知，從圓弧滑動體內(nèi)取出土條進行分析。作用在條塊上的力，除重力Wi以外，還有滑動面上的法向力Ni、切向力Ti和法向力Pi、Pi+1和切向力Hi、Hi+1。如條塊處于靜力平衡狀態(tài)，根據(jù)豎向力平衡條件，應(yīng)有：

式中 W為土條重量；N為土條底部的有效反力；T為土條底部剪切力；θ為土條底線與水平方向的夾角。

根據(jù)滿足安全系數(shù)為時的極限平衡條件，

式中 Fs為壩坡安全系數(shù)。

整理后得：

考慮整個滑動土體的整體力矩平衡條件，認為各土條的作用對圓心力矩之和為零：

式中的ΔHi是未知的，為使問題得解，畢肖普又假定土條之間的切向力略去不計，即假設(shè)土條間作用力的合力是水平的，于是，式（9）可簡化為：

3.2 計算工況

計算工況如表4。

表4 水位組合

3.3 計算成果分析

各工況下大壩斷面穩(wěn)定計算成果如圖7～圖12。

圖7 正常工況穩(wěn)定計算成果（背水坡）

圖8 設(shè)計工況穩(wěn)定計算成果（背水坡）

圖9 校核工況穩(wěn)定計算成果（背水坡）

圖10 地震工況穩(wěn)定計算成果（背水坡）

圖11 水位降落期工況穩(wěn)定計算成果（迎水坡）

圖12 地震工況穩(wěn)定計算成果（迎水坡）

阮小洼水庫大壩屬于5級建筑物，由表5的穩(wěn)定分析結(jié)果和SL274－2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》［6］中抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的取值可知，大壩的迎水坡和背水坡在各工況下，安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，因此壩坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表5 大壩邊坡穩(wěn)定驗算成果

其中在背水坡的正常水位情況下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)值最大；在地震期情況下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)值最小。而在迎水坡的降落期，抗滑穩(wěn)定系數(shù)值最大；在地震期情況下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)值最小。由此可見，抗滑穩(wěn)定系數(shù)值的大小，不僅取決于上下游水位差，還于是否處在地震期有關(guān)。因此，在同一斷面下，上下游水位差越大，抗滑穩(wěn)定系數(shù)值越大；水位差越小，則反之。在同一斷面和同一水位情況下，非地震工況相對安全。

4 結(jié)語

（1）本文采用滲流計算軟件對阮小洼水庫大壩在不同工況下的滲流及穩(wěn)定進行了計算和分析。滲流計算結(jié)果表明，大壩在各種工況下計算出的滲透坡降均小于允許滲透坡降，說明壩體下游滿足滲流穩(wěn)定要求，其中影響滲流的因素主要有上游水位的高度和滲透系數(shù)。

（2）該水庫壩體填土的滲透系數(shù)為2.62E-04，屬中～弱透水性土，滲透系數(shù)屬正常范圍，大壩水量損失不大。穩(wěn)定分析結(jié)果表明，阮小洼水庫在各種工況下計算得到的抗滑穩(wěn)定系數(shù)值均大于允許安全系數(shù)，壩坡穩(wěn)定能滿足規(guī)范的要求。