某水庫大壩滲流穩定分析

劉鵬飛

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000）

1 工程概況

勝利水庫屬于平原注入式水庫形式，于1970年興建，設計總庫容1.10×108m3，為大（二）型Ⅱ等水庫，壩線長15.64 km，按碾壓式均質土壩設計，壩前防浪護坡坡比1∶8～1∶15，壩高最大達到7.18 m。

2000年前兵團大壩安全鑒定專家小組對勝利水庫大壩質量進行了綜合評定，將其認定為Ⅲ類壩，且提出了壩體防滲加固、壩后二臺加大、超高增高、壩前護坡等除險加固措施。

2 分析方法

采用AUTOBANK6.1軟件，結合有限元分析法和瑞典圓弧分析法，以保證勝利水庫大壩滲流分析和壩坡穩定分析過程及結果的合理性與準確性。AUTOBANK6.1軟件是在現有有限元分析技術的基礎上對水利水電工程堤防、大壩、水閘、涵洞等水工建筑物結構進行精細化模擬分析和計算的一種軟件工具。

應用AUTOBANK6.1分析軟件全面分析及精確計算，最終以滲流量、等勢線、水力坡降、浸潤線以及任意點和任意斷面流場數據分布等參數和圖形形式給出結果；并基于以上分析結果，不間斷進行應力應變、位移分析，由系統繪制并輸出應力、位移、變形、主應力隨時間空間變化趨勢；通過人機交換界面搜索出任意點、任意斷面所對應的力學參數分布趨勢；模擬分期加載/卸載及土石方開挖/填筑等過程。

3 分析過程及結果

3.1 水庫大壩滲流分析

3.1.1 計算水位及參數

結合勝利水庫工程實際及大壩最大橫剖面實際，應用AUTOBANK6.1 軟件結合達西定律進行水庫大壩綜合滲流分析。選取該水庫大壩進行滲流計算時所對應的正常水位為386.45 m，死水位380.24 m，P=2%時的設計洪水位和P=0.10%時的校核洪水位分別取386.47 m和387.06 m。

結合勝利水庫建設和除險加固過程中的地勘報告以及新疆地區同類型水庫工程滲流穩定分析經驗確定滲透系數取值。

3.1.2 計算工況

結合《碾壓式土石壩設計規范》以及相關規范，將勝利水庫大壩滲流計算過程中所對應的水位組合工況設置為以下幾種：工況1：正常蓄水位和下游對應最低水位。工況2：設計洪水位和下游對應水位。工況3：校核洪水位和下游對應水位。工況4：20 d 內正常蓄水位降至死水位。工況5：20 d 內校核洪水位降落至死水位后同時形成非穩定形式的滲流。

3.1.3 計算結果及分析

根據《堤防工程設計規范》以及《滲流計算分析與控制》等規范性資料，均質土壩滲流計算應采用以下公式：

式中：q—水庫大壩單寬滲流量（m3/d·m）；k—水庫大壩壩體現狀滲透系數（m/s），取2.97×10-6m/s；H1—上游水位（m）；H2—下游水位（m）；h0—下游出逸點高（m）；m1—上游實際邊坡系數；m2—下游實際邊坡系數；L—大壩壩長（m）。將具體數值代入以上對應公式后的計算結果詳見表1。

表1 水庫大壩滲流穩定計算成果表

根據表2結果，勝利水庫大壩在不同工況下壩體單寬滲流量最大值為1.98×10-5m3/（d·m），據此進行水庫大壩總滲漏量的計算，公式如下：

式中：Q—水庫大壩總滲漏量（m3/d）；t—時間（s）；其余參數含義同前。

經計算，勝利水庫年滲漏量最大值為2.13 m3，遠比水庫庫容總庫容1.10×108m3小，故該水庫大壩經多次除險加固處理后已經具備較好的防滲性能。工況3 下水庫大壩單位滲流量計算結果明顯比其他工況大，也說明水庫大壩滲漏穩定受動水作用比受靜水作用更為不利。

結合《水利水電工程地質勘查規范（GB50287-2008）》的相關要求進行勝利水庫大壩壩體土可能發生的滲透變形形式的判別，公式如下：

式中：—大壩壩體土細粒顆粒實際含量（%），通常用質量百分率表示，取60%；—壩體土孔隙率，結合地勘報告取0.48。經計算，勝利水庫大壩壩體現狀下其土細粒顆粒實際含量應為48.30%，該水庫大壩壩體發生流土破壞的可能性較大，其允許滲透坡降按下式確定：

式中：Δ—大壩壩體土粒比重，根據對新疆地區規模同等水庫的類比分析，取2.71；KB—流土安全系數，取1.50；其余參數含義同前。經計算，勝利水庫大壩允許滲透坡降為0.587，根據相關規范，水庫大壩滲透穩定滿足要求。

3.2 水庫大壩壩坡穩定分析

勝利水庫壩坡穩定性分析中還必須進行大壩邊坡穩定性計算，具體采用瑞典圓弧法及AUTOBANK6.1程序。

3.2.1 計算工況

結合《碾壓式土石壩設計規范》具體規定，根據水位組合分別設定正常工況和非正常工況進行勝利水庫大壩邊坡穩定性計算。

3.2.2 計算結果及分析

按照規范，勝利水庫大壩壩體抗滑穩定采用剛體極限平衡法進行計算，由于勝利水庫大壩為碾壓式均質土壩設計，且壩坡存在軟弱夾層，故宜按照遵循力與力矩平衡原理的Mogenston-Plus方法進行勝利水庫壩體抗滑穩定計算，同時在全面考慮大壩壩體抗滑條塊間互相作用相應力的基礎上應用簡化Bishop 法進行計算結果校核。應用AUTOBANK6.1 進行該水庫大壩邊坡穩定分析，計算結果見表2。

表2 水庫大壩邊坡穩定計算結果表

根據以上對勝利水庫大壩邊坡穩定的分析及計算不難發現，對該水庫實施針對性強的除險加固措施后水庫大壩邊坡抗滑穩定性顯著提升，并能達到規范要求。應用瑞典圓弧法所得到的勝利水庫大壩上游壩坡在前三種工況的靜水位下的穩定系數最小值取值也處于較高水平，但是在其余兩種工況的動水位下所計算出的穩定系數最小值取值卻比較小，通過比較以及分析原因可以看出，該水庫存在較大幅度的降落水位，則所得到的邊坡穩定系數取值越小。

4 結論

綜上所述大壩允許滲透坡降滿足規范；比較不同靜水位工況發現，校核洪水位工況下大壩單寬滲流量明顯比其余工況大，表明水庫大壩滲流穩定受動水作用的影響比靜水作用的影響更明顯。各工況下得到的穩定系數最小值均比規范值大，表明該水庫大壩除險加固措施實施后大壩壩體抗滑穩定性能大大提升，且完全滿足相關規范要求；大壩上游壩坡在靜水位工況下所對應的抗滑穩定系數最小值也均比其余工況下抗滑穩定系數最小值大，且降落水位越大，穩定系數取值越小，且下游壩坡安全穩定情況更應受到重視。