外坦水庫滲流及壩坡穩定分析

黃孫堅，尤斌武

（永嘉縣水利水電勘測設計院，浙江 溫州 325100）

0 引言

大壩滲流對水庫的危害極大，隨著滲漏量的增大，水庫軟弱結構面強度降低，斷裂帶充填物滲透變形增大，水工建筑物失穩，壩體滑動，更有甚者會引發潰壩。為此，必須針對大壩實際加強壩體防滲，保證大壩安全運行。

1 計算原理

水庫滲流及壩坡穩定分析主要以水頭分布為研究對象，并將均質壩滲流過程簡化為x～z垂直剖面二維滲流問題，在二維滲流連續方程中導入達西定律便得出以下方程：

上式（1）便是二維壩體自由面各向異性穩定滲流場微分方程，其中的kx、kz為x向和z向的滲透系數。

水庫壩坡穩定性分析通過簡化的畢肖普法進行，應用有效應力法進行分析時，畢肖普法安全系數按下式確定：

式（2）（3）中：Fs—畢肖普法壩坡安全系數；c′i—大壩土條粘聚力有效值（kPa）；φ′i—大壩土條內摩擦角（°）；Wi—土條重量（kg）；bi—土條寬（m）；ui—土條底弧面中點孔隙水壓力（kPa）；αi—通過土條底面重心的土條重力線和半徑夾角（°）。經過迭代分析，便可得出均質壩壩坡安全系數Fs取值。

2 水庫滲流及壩坡穩定分析方案

外坦水庫位于永嘉縣沙頭鎮渠口村，小楠溪支流渠口溪上游，水庫大壩坐落于渠口村北面，距離渠口村直線距離1.20 km。該水庫是一座以灌溉為主，結合飲用水的水利工程。水庫大壩始建于1958年10月，1959年11月建成投入運行，1960-1983年期間大壩陸續加寬、加高三次至現有規模。水庫壩址以上集雨面積0.61 km2，水庫總庫容14.47 ×104m3，正常庫容9.98 ×104m3，為?。?）型水庫。水庫樞紐主要由大壩、溢洪道、放水涵管等建筑物組成，大壩為均質壩，最大壩高16.20m，壩頂長度101.60m。根據地質勘探報告，大壩為均質壩，現狀壩頂長101.60m，最大壩高16.20m，壩頂高程282.34 ～282.84m，壩頂寬度7.76 ～10.40m，大壩壩頂采用C20混凝土護面。

文章選取外坦水庫大壩壩體進行滲流及壩坡穩定分析。大壩壩體為均質土壩，最大壩高16.20m，壩頂高程約282.50m（國家85高程），壩頂較寬，一般寬度在7.76 ～10.40m，迎水坡坡比為1∶1.17 ～1∶2.26 ，背水坡坡比1∶0.83 ～1∶1.65 ，大壩上、下游均為土坡，壩頂鋪設10cm混凝土面層，上、下游坡體采用塊石鋪排護坡，坡體植被覆蓋稀少。從鉆探揭露的巖土層性質，結合室內土工試驗成果可知，水庫大壩主要采用周圍山體上全風化凝灰巖、殘（坡）積土（含角礫粘土）經人工夯實填筑而成。此次勘察揭露壩體填筑材料為含角礫粉質粘土②，護坡坡體為填塊石砌筑，壩肩基礎落于中風化凝灰巖③（J3x）上，壩基持力層為中風化凝灰巖。據鉆探及土工試驗成果分析，壩體土多為粉質粘土，局部為粘土，不均勻夾少量角礫及中粗砂，總體以粘性土為主，壩體土質均勻性較差，不符合現行《碾壓式土石壩設計規范》對防滲體填筑料的標準。

防滲加固設計方案選定的原則是簡便易行、方案可靠，加固采用的防滲形式宜與原防滲體相同或類似，根據實際情況和類似工程經驗，外坦水庫大壩壩體擬定采用粘土防滲墻和混凝土防滲墻兩種方案進行防滲加固。

2.1 網格劃分

文章利用SEEP/W程序對外坦水庫斜墻壩最大剖面進行滲流穩定分析，防滲墻設置后計算模型簡圖具體見圖1，滲流穩定分析前還應進行模型自由網格剖分，模型的有限元網格具體見圖2。迎水面上游水位以上為不透水邊界，而定水頭邊界設定在迎水面上游水位以下，背水面271.64m以上為不透水邊界，以下為可變邊界；若水頭高出該高程，則為等同于高程的水頭邊界，若水頭低于該高程，則為不透水邊界。

圖2 模型的有限元網格劃分圖

2.2 滲流計算方案及參數

對正常蓄水位和設計洪水位的正常運用條件以及校核洪水位的非正常運用條件下，分析各水位及所對應下游水位壩體穩定滲流場，并分正常蓄水位279.00m、設計洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三種工況進行滲流計算。

滲流計算過程應以壩體受斜墻和砂石區浸潤線的影響為重點，砂壤土保護層參數選取應與砂石料相同，粘土鋪蓋和粘土護坡參數應與粘土斜墻相同。通過室內滲透試驗所得到的壩料飽和滲透系數等參數取值具體見表1。

表1 壩料飽和滲透系數等參數取值表

在大壩壩體滲流穩定分析過程中，必須考慮非飽和土體滲流作用的影響，非飽和土體滲透系數并非常數，而是土體基質吸力或含水量的函數。文章主要根據級配曲線預測土水特征曲線的方法推求大壩壩料土水特征曲線，并根據所得到的土水特征曲線確定飽和滲透系數并推算滲透函數。

2.3 下游壩坡抗滑穩定分析

通過簡化畢肖普法進行外坦水庫壩坡穩定滲流期抗滑穩定分析。根據《碾壓式土石壩設計規范》相關規定，正常運用條件及非正常運用條件下，水庫大壩壩坡抗滑穩定安全系數最小值應分別取1.30 和1.20 。壩坡抗滑穩定分析剖面的選取與水庫大壩滲流分析相同，在Geostudio2007的SLOPE/W程序中應用有效應力法進行下游壩坡防滲墻設置前后抗滑穩定性分析計算，有效應力法所對應的孔隙水壓力值根據有限元滲流計算得到。

下游壩坡抗滑穩定計算采取與壩體滲流計算類似的處理，即砂壤土保護層物理力學指標取值與砂石料相同，粘土鋪蓋層和護坡層物理力學指標取值與粘土斜墻相同。

3 計算結果

根據正常蓄水位279.00m、設計洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三種工況下的浸潤線位置和孔隙水壓力圖可以看出，浸潤線曲線所對應的孔隙水壓力為0；浸潤線將壩體劃分為兩個區域：浸潤下以下的飽和區和浸潤線以上的非飽和區，前者孔隙水壓力為正，后者孔隙水壓力為負。設置防滲墻前斜墻土料和砂石料滲透系數分別取1.00 ×10-5cm/s和1.00 ×10-4cm/s，防滲性能不良，且兩者相差整整一個量級，這也說明下游壩殼浸潤線位置高，水流主要從下游壩坡逸出。上游水位高低對浸潤線位置的影響較大，在壩軸線處設置防滲墻前，浸潤線位置與上游水頭基本齊平；而設置防滲墻后，浸潤線在防滲墻前段急劇降落，在防滲墻后段浸潤線位置受下游水位影響不大；下游壩殼中浸潤線位置較低，且水位未從下游壩坡逸出。

正常蓄水位279.00m、設計洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三種工況下防滲墻設置前后大壩壩體單寬滲流量測試結果詳見表2。根據試驗結果，防滲墻設置前滲流流量明顯大于防滲墻設置后，且防滲墻設置后三種工況下大壩壩體單寬滲流量均隨水位升高而呈增大趨勢。防滲墻防滲效果十分明顯，且混凝土防滲墻的防滲效果優于粘土防滲墻。

表2 壩體單寬滲流量計算結果表

此外，根據對三種工況下大壩壩坡穩定安全系數允許值的分析發現，在防滲墻設置前，不同工況下壩坡穩定安全系數均隨水位升高而遞減，且安全系數取值均不滿足規范要求；而防滲墻設置后，不同工況下壩坡穩定安全系數允許值均能達到規范要求，且混凝土防滲墻壩坡穩定安全系數值大于粘土防滲墻，充分表明防滲墻措施加固效果良好。粘土防滲墻在校核洪水位281.58m工況下工程安全性良好，其余工況下安全性一般；經濟合理?；炷练罎B墻工程安全性及經濟合理性均優于粘土防滲墻。故最終推薦混凝土防滲墻加固方案。

4 結論

綜上所述，外坦水庫均質壩防滲墻設置前，壩殼和斜墻滲透系數相差一個量級，且下游浸潤線較高，水流主要從下游壩坡出逸；單寬滲流量明顯大于防滲墻設置后的單寬滲流量值，下游壩坡抗滑穩定安全系數取值也不滿足規范要求。而將防滲墻設置于壩軸線處后使浸潤線急劇降落，壩坡安全系數也達到規范要求的水平，表明防滲墻防滲作用顯著，且混凝土防滲墻比粘土防滲墻的防滲效果更加優良。綜合考慮防滲效果及防滲加固設計方案選定的原則，外坦水庫大壩壩體主要選用沖抓套井回填粘土防滲墻加固方案。