荷村水庫大壩滲流穩定分析

潘福堅

(佛山市高明區荷城街道水利所，廣東 佛山 528500)

0 引 言

水庫大壩是一種常見的水利工程建筑物，起到的作用主要是調節區域內水流，如雨季攔截山洪、旱季蓄水儲存。我國現存的水庫中有很多存在著年久失修，工程老化的問題，其中最顯著也最頻繁出現的問題就是水庫大壩滲流與穩定的問題，這些存在著問題的病險水庫不但不能發揮原有的發展區域經濟的作用，還可能對人民的生命財產安全造成威脅。郭家朋以龍井水庫大壩為例，運用有限單元法對黏土心墻壩的滲流進行分析計算，同時運用瑞典圓弧滑動法和簡化Bishop法對黏土心墻壩的壩體穩定進行分析計算，并在此基礎上對水庫大壩進行了滲流安全評價和穩定性安全評價[1]。胡強根據湖南省仙嶺水庫的地質勘探資料，利用有限元進行計算分析，分析了大壩存在的滲漏和滲透變形問題，并提出了除險加固的措施[2]。趙曉西根據基本方程及定解條件的比較分析，將 ANSYS 軟件的溫度場分析功能應用于滲流場的分析，利用 APDL 語言實現了滲流參數化建模，采用死活單元技術，解決了黃壁莊水庫土壩滲流穩定問題，為今后該大壩的工程管理及安全提供了理論依據[3]。馮霄采用GeoStudio軟件的滲流分析模塊SEEP/W和壩坡穩定分析模塊SLOPE/W，對某水庫土石壩除險加固設計進行滲流穩定復核，得到大壩上、下游壩坡在不同工況條件下的最小安全系數[4]。胡祖鋒通過對水庫除險加固工程設計中的大壩加固設計進行深入分析，以大壩地質條件比較復雜的最大壩高斷面進行滲流計算，并對壩坡抗滑穩定進行計算，為其他土壩的滲流及穩定安全分析提供了可借鑒的資料[5]。閆澎旺針對白石水庫土壩的復雜滲流條件編制了有限元程序，在計算中提出了棄單元法算法，用有限元方法對滲流量進行了計算，分析了實測水位和理論計算水位有較大差別的原因并提出相應的滲流穩定措施[6]。劉曉麗以某煤礦分布式地下水庫建設為例，根據礦井開采區的地質資料，建立分布式地下水庫的地下水數值模擬模型，預測礦區的涌水量，結果與實測基本一致[7]。盛金保根據安徽沙河集水庫近年來的滲流原始資料，對大壩滲流現狀進行了分析。結果表明，在目前限制水位運行條件下，大壩滲流狀態基本上是安全的，但也存在一些滲漏隱患，建議采取必要的工程措施消除上述對滲流安全不利的因素，同時應改造、完善大壩滲流安全監測設施[8]。李志鋒通過滲流有限元計算分析，評價了眠羊地水庫大壩的滲流安全情況，發現：大壩壩基滲流出口的滲透穩定性不安全，壩體存在較嚴重的滲流隱患，滲流安全性為C級[9]。趙鑫為研究壩體加固對滲透水壓的影響，采用有限元法對除險加固前、后的壩體進行滲透坡降、單寬滲流量、準流網等計算，分析3種工況下的滲流過程，為土石壩的除險加固設計提供參考[10]。文章所做的計算分析主要有水庫大壩滲流與穩定兩個方面，還對水庫大壩的安全性做出了評價。

1 工程概況

1.1 工程地質及水文地質條件

荷村水庫區地形起伏不大，沖溝較發育，地下水類型主要為第四系松散堆積物中的孔隙水和基巖裂隙水?？紫端饕x存于第四系松散堆積物中，含水量動態變化明顯，主要受大氣降水補給，下滲補給裂隙含水巖組，或向附近溝谷排泄?；鶐r裂隙水主要賦存于巖體裂隙中，基本不含水，受裂隙發育程度和裂隙張開充填情況控制，由第四系孔隙水及大氣降水補給，向坡腳溝谷排泄。

水庫庫區屬剝蝕—侵蝕丘陵地貌。庫區內的地層為第四系(Q4)松散堆積層、侏羅系上統遂寧組(J3sn)泥巖夾多層粉砂巖、砂巖與侏羅系中統沙溪廟組(J2s)粉砂巖、砂巖與泥巖互層。庫區及附近未見較大斷層及活動性斷層分布，裂隙不發育。

庫區水文地質條件較簡單，主要地下水類型為第四系松散層孔隙水與基巖裂隙水，受大氣降水與庫區水補給影響，在地形低洼處以泉或滴水方式溢出地表。庫區主要物理地質現象表現為巖石的風化、剝落、崩塌，地表覆蓋層的崩積物較薄，未發現其他不良地質現象。庫區地形封閉條件較好，不存在水庫滲漏問題。

壩址河谷形態呈淺寬型，兩岸地形不對稱，整體趨勢左岸緩右岸陡。整個壩基區以粉砂巖為主，在粉砂巖層中夾有厚0.2-0.5m的砂質泥巖，大壩修建時以強風化粉砂巖作為基礎持力層。大壩壩基淺層巖體屬強-中等透水巖體。

本區域新構造運動主要表現為間歇性緩慢抬升，第四系以來抬升幅度趨緩，差異運動減弱。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)劃定的工程區50a超越概率10%，地震動峰值加速度為0.05g，地震反應譜特征周期為0.35s，對應的地震基本烈度為Ⅵ度。因此，工程區構造穩定性較好。

1.2 水庫概況

荷村水庫是一座以城鄉供水、農業灌溉為主，兼有農村人畜飲水等綜合利用功能的中型水庫。水庫水位387.06m，壩長281m，最大壩高為16.13m，總庫容1079.2萬m3。

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)及《防洪標準》GB50201—2014規定，定樞紐工程為Ⅲ等中型工程，攔河壩、溢洪道、取水口等主要建筑物為3級；次要、臨時建筑物級別為4級。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL 252-2017規定，建筑物級別及相應洪水標準見表1。

表1 建筑物級別及洪水標準

2 水庫大壩滲流計算

2.1 計算方法

取水庫大壩最大橫剖面，按照水力學達西定律進行滲流分析，滲流分析采用河海大學和南京水準科技有限公司聯合開發的AUTOBANK6.1分析軟件，采用有限元法進行滲流計算分析。

2.2 計算水位

特征水位包括死水位380.24m，正常水位386.46m，設計洪水位386.48m(P=2%)和校核洪水位387.06m(P=0.1%)。

2.3 計算參數

根據原除險加固地勘報告及工程經驗類比，水庫大壩滲流分析采用的滲透系數見表2。

表2 庫大壩筑壩材料滲透系數表

續表2 庫大壩筑壩材料滲透系數表

2.4 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)第8.1.2條之規定，進行了以下4種水位組合成5種工況的滲流計算。

1)正常蓄水位與下游相應的最低水位。

2)設計洪水位與下游相應的水位。

3)校核洪水位與下游相應的水位。

4)正常蓄水位降落至死水位(20d內從386.46降至380.24m)。

5)校核洪水位降至死水位形成非穩定滲流情況(20天內從387.06降至380.24m)。

2.5 計算結果及分析

對水庫大壩滲流穩定計算，滲透最大坡降計算見表3。

表3 水庫大壩滲流穩定計算成果表

由上表可知，水庫各種工況下壩體最大單寬滲流流量為1.97×10-5m3/d·m。

計算水庫總滲漏量公式為：

Q=Lqt

(1)

式中：L為壩長，單位：m；q為壩體最大單寬滲流流量，單位：m3/s；t為時間，s。

得出水庫年最大滲漏量為2.02m3，遠遠小于水庫的總庫容1079.2萬m3，說明水庫的防滲性能非常好，具有良好的經濟效益。

隨著水庫水位的變化，校核洪水位工況下的單位滲流量與滲透最大坡降明顯大于其他兩個靜水位，而在后兩個伴隨有降落條件的工況下，水庫的滲透最大坡降明顯大于前3個靜水位的工況，表明動水作用下較靜水作用更不利。

根據《水利水電工程地質勘察規范》GB50287-2008推薦的判別公式，對壩體土的滲透變形形式進行判別：

(2)

式中：PC為土的細粒顆粒含量，以質量百分率計，%，本次計算取60%；n為土的孔隙率，根據地勘報告采用n=0.482。

可知本工程壩體只會發生流土破壞，其允許滲透坡降計算公式如下：

(3)

式中：△為土粒比重；△=2.70；n為土的孔隙率，n=0.482；KB為流土安全系數，此處采用1.5。

土粒密度及孔隙率通過類似工程類比得知，大壩允許滲透坡降[J]=0.587。水庫大壩最大滲透坡降J=0.385<[J]=0.646，所以水庫滿足滲透穩定要求。

3 水庫大壩壩坡穩定計算

3.1 計算方法

根據《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001的規定，本工程應進行邊坡穩定分析，計算程序采用河海大學和南京水準科技有限公司聯合開發的AUTOBANK6.1分析軟件，計算方法采用了瑞典圓弧法。

3.2 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)第8.1.2條之規定，水庫大壩邊坡穩定分析計算工況組合見表4。

表4 上、下游壩坡計算工況

續表4 上、下游壩坡計算工況

3.3 計算結果及分析

水庫大壩壩坡穩定分析計算按照《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)第8.3.2條及8.3.10條規定及附錄D.1.2條規定：土體的抗剪強度計算穩定滲流期時采用有效應力法；計算庫水位降落期采用有效應力法和總應力法，以較小的安全系數為準。水庫壩坡穩定計算方法選用瑞典圓弧法，計算成果見表5。

表5 水庫大壩上、下游壩坡穩定系數計算結果

通過穩定計算可知，水庫大壩擴建后滿足規范要求的抗滑穩定需求。水庫大壩上游壩坡在工況1、2、3三個靜水位條件下，用瑞典圓弧法計算出來的最小穩定系數數值一致，均為1.956，而在工況4、5兩個動水位條件下，最小穩定系數明顯小于3個靜水位，將這兩個工況進行對比，可以看出，降落水位越大，計算穩定系數越小。工況3校核洪水位的計算最小穩定系數比其他兩個靜水位略小。

4 結 論

1)經過滲流計算，將本水庫大壩土粒密度及孔隙率與類似工程進行類比得出，大壩允許滲透坡降[J]=0.587。水庫大壩最大滲透坡降J=0.385<[J]=0.646，所以水庫滿足滲透穩定要求，而水庫一年的滲漏量遠小于水庫庫容，說明水庫大壩的防滲性能非常好。

2)將不同靜水水位工況進行對比后，發現校核洪水位工況下的單位滲流量與滲透最大坡降明顯大于其他兩個工況，后兩個動水位工況下水庫的滲透最大坡降也明顯比前3個靜水位工況下的大，表明動水作用下較靜水作用更不利。

3)通過穩定計算可知，各個工況下計算得出的最小穩定系數均比規范要求的大，所以水庫大壩滿足規范要求的抗滑穩定需求。

4)水庫大壩上游壩坡在3個靜水位工況下最小穩定系數數值一致，均為1.956，而在兩個動水工況位下，最小穩定系數明顯小于3個靜水位，將這兩個動水位工況進行對比，發現降落水位越大，計算穩定系數越小，但上游壩坡3個靜水位工況下計算穩定系數與下游壩坡相比較大，說明下游壩坡的安全穩定情況更應該得到重視。