明月水库渗流及抗滑稳定分析计算

易谢冰

(湖南省株洲市水利水电勘测设计院 湖南株洲 412007)

1 前言

明月水库位于攸县丫江桥镇双峰村,距攸县县城57km。所在流域为渌江流域沙河支流,坝址控制集雨面积12km2,干流长度4.7km,流域多年平均降雨量1446mm。水库正常蓄水位174..0m,设计洪水位175.70m,校核洪水位176.21m,正常库容128.0万m3,总库容167.08万m3,设计灌溉面积2500亩,是一座以灌溉为主,兼顾防洪、养殖、生态等综合效益的小 (Ⅰ)型水库。水库大坝为粘土心墙坝,坝顶高程 178.4m,大坝全长187.5m,坝顶宽5.6m,坝脚无排水棱体。坝址山谷原为小溪,大坝修建时仅对地表第四系覆盖层做简单清除,坝体填土为山坡及坡脚坡、残积土填筑而成,心墙为田底洼地废土混杂坡、残积土填筑而成,填筑后坝体渗透系数较大,导致坝体渗漏量大,浸润线偏高。目前大坝背水面散浸、渗水现象严重,当库水位达到171m附近时,坝体164.5m高程附近有渗漏点达7处,散浸面积265m2,且随着水库水位升高渗漏量增大,渗漏水流变成浑浊并有泥沙带出,散浸面也不断增大,局部坡面鼓胀变形,大坝存在严重的安全隐患。

鉴于明月水库大坝存在的异常渗漏及结构安全隐患问题,笔者根据坝址区工程地质状况对大坝进行了渗流及稳定分析。

1 渗流计算

1.1 计算方法及计算参数

渗流计算工具为理正渗流分析软件,采用有限元法进行平面渗流计算。

渗流计算断面选择大坝最大坝高断面。该断面包含坝址所有的地质情况,具有详细而可靠的地质钻孔资料和试验成果,因此选定作为典型断面进行计算。大坝计算断面如下图。

图1 大坝计算断面简图

各材料分区根据水库地质勘查资料取值如下表:

表1 各材料分区

渗流计算按稳定和非稳定渗流分别计算。稳定渗流分正常、设计、校核水位三种工况;非稳定渗流分正常蓄水位→1/2坝高水位、1/2坝高水位→死水位两种工况,计算各种工况下的坝体浸润线和最大渗透比降。各工况下大坝上下游水位如下表:

表2 各工况下大坝上下游水位

水库库水位降落主要考虑水库需要放空时的工况,利用灌溉涵管将库水排至下游,期间库水位连续降落。根据明月水库库水位-库容关系曲线及水库灌溉涵管的泄流曲线,计算得到明月水库库水位降落曲线。计算结果显示,利用灌溉涵管放水,使库水位从正常蓄水位降落至死水位,需时9.53天,详细降落过程见下表。

表3 库水位降落过程

1.2 计算结果及分析

根据以上所述的计算参数及计算工况,使用有限元法对大坝典型断面进行稳定渗流和非稳定渗流计算。稳定渗流各工况下的计算成果如下。

表4 稳定渗流各工况下的计算成果

以上所列计算成果显示,大坝在稳定渗流条件各工况下的下游坝坡最大渗透比降均大于坝坡允许渗透比降,将造成坝体的渗透破坏,大坝渗流性态不安全,与现场观察到的下游坡面出现鼓胀变形现象相符。

2 大坝坝坡抗滑稳定计算

2.1 计算方法及计算参数

大坝坝坡的稳定分析采用简化毕肖普法和不计条块间作用力的瑞典圆弧法对坝坡抗滑稳定安全系数进行计算,并在计算中考虑渗透水压力的影响。

根据地质勘察资料确定坝体物理力学参数如下表。

表5 坝体物理力学参数

2.2 计算结果及分析

分别对几种工况下的上下游大坝坡面最小抗滑稳定系数进行计算,结果如下:

表6 上下游大坝坡面最小抗滑稳定系数计算结果

计算成果表明:

明月水库上下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数在各种工况下均未达到规范允许值,坝坡不能满足稳定要求。

3 结语

本文通过对明月水库大坝最大坝高断面进行渗流计算,得出了计算断面测压管水头等值线图、单位长度坝段稳定渗流量以及下游坡面的渗透比降。计算结果表明,在稳定渗流情况下,大坝下游坡面渗透比降大于坡面允许渗透比降,大坝在渗流作用下,将对下游坡面造成渗透破坏,这一点已经得到了现场检查结果的证实。

通过分别采用简化毕肖普法和不计条块间作用力的瑞典圆弧法两种方法进行抗滑稳定计算,得出了计算断面上下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数。计算结果表明:水库上下游坡面的最小抗滑稳定安全系数小于规范允许值,坝坡不能满足稳定要求。

1 华东水利学院.《水工设计手册》第 4册《土石坝》.(水利电力出版社,1984年).

2 中华人民共和国水利部.《碾压式土石坝设计规范》.北京:中国水利水电出版社,2001.