定南縣洋前壩水庫大壩滲流及穩定性分析

孫華云

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330000)

1 工程概況

洋前壩水庫位于定南縣巋美山鎮溪尾村，水庫與定南縣城的直線距離約為40km，水庫壩址在定南流域一級支流——老城河上游，地理位置為E114°50′11″，N24°37′53″，水庫集水面積25.8km2，主河道長7.69km，縱比降23.5°。洋前壩水庫設計要求為一座主要進行城鎮供水的中型水利樞紐，經綜合分析論證，洋前壩水庫正常蓄水位407.00m，死水位373.00m，50a一遇設計洪水位409.12m，500a一遇校核洪水位409.87m；水庫總庫容2170萬m3，正常蓄水位以上庫容1820萬m3，死庫容24.8萬m3，調節庫容1795萬m3。洋前壩水庫工程任務以城鎮供水為主，兼顧農田灌溉，工程建成后可滿足定南縣城區及沿線鄉鎮2030年16.67萬人的生活用水及下游133.33hm2農田的灌溉用水需求。

2 大壩滲流計算

2.1 土體透水特性

本大壩設計為重力壩，壩基巖性為全-弱風化中粗粒黑云母二長花崗巖、花崗斑巖，巖體節理裂隙發育，巖體完整性較差，具弱-中等透水性，巖體內部的節理裂隙及其組合是滲漏產生的主要通道。據上壩址鉆孔壓水試驗成果：左岸巖體的透水率q=3.6-33Lu，透水性弱-中等；河床段的透水率q=3.8-9.5Lu，透水性弱；右岸巖體的透水率q=2.7-13Lu，透水性弱-中等。該混凝土重力壩壩高<100m，按技術規范標準要求，相對不透水巖層按q≤5Lu控制，按此標準，勘探深度范圍內壩基巖體上部均為相對透水層，存在壩基及繞壩滲漏問題，相對透水巖層厚度變化較大，其埋置深度為：左岸24.2-26.3m，底高程為358.37-390.76m；河床段30.2m，底高程為333.68m；右岸25.6-41m左右，底高程為357.26-374.36m。 大壩兩岸山體風化深厚，透水層厚度較大，相對隔水層及地下水位均低于正常蓄水位407.00m，故兩岸存在繞壩滲漏問題。

2.2 大壩滲流計算

進行滲流計算主要是基于上下游水位進行壩體浸潤線和出逸點位置、壩基滲流量、壩體內部滲透坡降等的計算，并為大壩壩坡的穩定復核及水庫安全運行提供可靠依據。洋前壩水庫大壩滲流計算擬定出三個工況，詳見表1。

表1 大壩滲流計算工況

水庫大壩平面滲流穩定計算主要是進行具體邊界條件下擬調和方程的求解：

(1)

(2)

(3)

式中：vx為X向滲流流速，m/s；VY為y向滲流流速，m/s；kx為x向滲透系數，m/d；ky為y向滲透系數，m/d；H為滲流場內滲透水壓，MPa。

采用北京理正滲流分析軟件中的有限元分析進行洋前壩水庫大壩滲流計算，同時計算大壩壩體浸潤線、滲流量，壩體及壩基各點壓力水頭、總水頭及水力比降，并根據計算結果繪制壓力水頭等值線及各點水力比降彩色云圖[1]。根據水庫地質勘探資料和室內滲透試驗結果確定壩體及壩基不同區域滲透系數，結果見表2。將水庫壩體各土層特性、水位及橫截面等參數輸入滲流分析軟件進行不同工況有限元分析的結果見表3。

表2 不同區域滲透系數

表3 不同工況有限元滲流分析結果

3 加固處理

為截斷繞壩滲漏，結合水工設計規范，兩岸壩頭防滲帷幕宜延伸到相對隔水層處或正常蓄水位與地下水相交處，工程左右岸防滲帷幕長度為30m。另據現場調查，近壩庫岸左岸現狀為一山脊，勘察期間沿鞍部布置了鉆孔。據鉆孔揭露左岸山脊鞍部壩基巖性為全-弱風化花崗斑巖，巖體節理裂隙發育，巖體完整性一般-較差，具弱-中等透水性。據鉆孔壓水試驗成果：左岸山脊鞍部巖體的透水率q=2.4-22Lu，透水性弱-中等。按相對不透水巖層按q≤5Lu控制，勘探深度范圍內壩基巖體上部均為相對透水層，存在繞壩滲漏問題，相對透水巖層厚度變化較大，其埋置深度為27.9-35m，底高程為406.49-392.06m，進行防滲處理。為截斷繞壩滲漏，結合水工設計規范，防滲帷幕宜延伸到相對隔水層處或正常蓄水位與地下水相交處，該處防滲帷幕長度為158m。

4 抗滑穩定性分析

通過穩定性分析，以確保洋前壩水庫重力壩在結構自重、孔隙水壓力及內外荷載的綜合作用下保持相對穩定，不發生壩基和壩體整體及局部性的剪切破壞。洋前壩水庫大壩抗滑穩定性分析主要采用極限平衡理論，假設大壩壩體在達到極限平衡狀態下，土體會沿滑裂面發生剪切破壞及失穩，且滑裂面上各點所對應的土體均處于極限平衡狀態。洋前壩水庫壩體穩定計算采用簡化的Bishop方法[2]。穩定性系數K按照下式確定：

(4)

式中：W為土條重量，kg，浸潤線以上取天然容重，浸潤下以下取飽和容重；α為條塊重力線和底面中點半徑的夾角，°；u為土條底面所作用的孔隙壓力，MPa；b為土條寬，m；c′、φ′為反應土條底面有效應力抗剪強度的參數；Q為土條水平力，MPa；e為土條水平力滑弧中心力臂，m；R為圓弧半徑，m。

根據所設定的工況并結合《碾壓式土石壩設計規范》采用有效應力法計算土石壩在穩定滲流情況下土體的抗剪強度指標[3]，并根據洋前壩水庫地勘報告所給出的物理力學參數建議值進行相似工程各項物理力學指標的類比分析，具體見表4。

表4 洋前壩水庫大壩穩定分析結果

采用土石壩邊坡穩定分析軟件直接讀入具體工況下滲流計算成果，即輸入表3相關參數進行洋前壩水庫壩坡穩定計算，并采用簡化的Bishop法所自動搜索到的最小穩定安全系數滑裂圓弧即為最危險滑動面。根據相關分析，不同工況下洋前壩水庫大壩壩坡抗滑穩定系數均比設計及規范規定的最小值大，所以實施加固措施后大壩抗滑穩定符合設計要求。

5 結 論

通過文章對洋前壩水庫大壩滲流及穩定性分析表明，在進行水庫大壩滲流穩定分析時必須加強土料滲透系數、黏聚力、內摩擦角等參數的合理選擇，在選擇上述參數時既要考慮試驗結果，又要分析試驗結果與工程實際可能存在的誤差，以確保參數的選取符合工程實際需要。由于洋前壩水庫施工質量及運行管理等方面的原因，主要建筑物存在滲流方面的病險情，并嚴重威脅水庫正常運行，水庫大壩亟待加固整治以消除建筑物運行隱患，提升水庫防洪標準。防滲帷幕除險加固措施實施后使大壩在各種工況下抗滑穩定安全系數均大于設計及規范的最小值水平，加固后各工況下大壩抗滑穩定完全符合設計要求。