安阳众乐水库安全评价渗流稳定的分析

王威威 郑艳丽

1 工程概况

安阳县众乐水库属漳河支流,位于安阳县伦掌乡众乐村西南1 km处,该水库是一座以防洪为主兼引渠灌溉、养殖等综合利用的小型水库,控制流域面积0.5 km2,坝上干流长0.8 km,河道平均比降为25.3‰。水库设计标准为30年一遇,设计水位90.24 m,相应库容为12.4万m3,校核标准500年一遇,校核洪水位91.05 m,相应库容为15.7万m3,死水位为86.70 m,死库容为1.4万m3。水库由主坝、副坝、输水洞等建筑物组成。大坝属黏土均质坝,主坝呈东西走向,副坝呈南北走向,主坝坝顶高程100.0 m,最大坝高19.0 m,坝顶长 350 m,宽 4 m,迎水坡为 1∶2.5,背水坡依次为1∶2,1∶2.5。输水洞位于大坝右侧,砌石箱形,斜插板,螺杆启闭机;进口高程86.70 m,断面为1.5 m×1.0 m,洞长80.0 m,最大泄洪量为1.5 m3/s。

2 大坝渗流分析

2.1 渗流计算边界及计算工况

本次选用众乐水库2009年1月实测坝顶高程平均为100.0 m,坝长350 m,最大坝高19 m,坝顶宽4 m。大坝上游坡比迎水坡为1∶2.5,背水坡 1∶2,1∶2.5。

渗流计算选用断面见图1。

根据SL 274-2001碾压式土石坝设计规范规定,对以下水位组合的工况进行计算:

1)上游正常水位与下游相应的最低水位;2)上游设计洪水位与下游相应的水位;3)上游校核洪水位与下游相应的水位。

根据本次水文复核结果,本次渗流计算时上游水位分别为:正常水位89 m,设计洪水位90.24 m,校核洪水位91.05 m。根据本次勘探资料,由于坝基地层岩性为混合土卵石,渗透系数为7.0×10-5cm/s,属于弱透水土体。因此,本次渗流计算时计入坝基渗漏,坝基深度取15 m。

2.2 渗流计算理论及计算程序

大坝渗流计算采用平面有限元法进行。由于大坝已运行多年,可认为土体完全固结,采用不可压缩渗流方程,认为渗透系数各向同性,稳定渗流水头函数满足如下方程:

其中,Γ1,Γ2均为流量边界;q为流量函数;h为水头函数;t为时间;x,y均为坐标。

将上述方程采用加权残余法进行离散,用有限元法求解。有限元网格尺寸为1.0 m,土层渗透系数按各向同性考虑。

本次渗流计算程序选用北京理正软件设计研究院编制的《理正岩土系列软件——渗流分析程序》平面有限元法分析大坝渗流,程序功能有:

1)可处理各种非匀质土层分布及复杂坝体情况;2)可设置给定水头,给定流量,不透水边界等多种边界条件;3)自动计算浸润线。

输出等势线、流线、浸润线各种计算结果曲线等。

2.3 渗透坡降计算

渗透坡降J计算公式按照达西定律基本公式:

其中,J为渗透坡降;L为渗透途径长度;ΔH为上、下游水头差。

2.4 渗流量及渗流水深计算

参照《水工设计手册》(水利电力出版社)第三卷结构计算,大坝渗流量及渗流水深采用下列公式计算:

1)不透水地基均质土坝:

2)有限透水地基均质土坝:

2.5 计算成果分析

1)计算成果统计见表1。2)渗流稳定分析。

计算结果表明,下游坝壳出溢坡降最大为0.4,小于允许渗透比降。因此,大坝下游坡渗透溢出是安全的。

3 结构稳定分析

3.1 坝体断面资料

稳定分析计算断面选用2009年1月众乐水库实测坝体断面,所取断面为大坝上主河槽段最大坝高断面。测量成果显示:大坝自坝顶向下,上游边坡为1∶2.5,下游边坡为 1∶2,1∶2.5,坝顶长350 m,坝顶宽 4 m,最大坝高19 m。计算选取断面见图1。

表1 渗透坡降和渗流量表

3.2 坝坡稳定分析

1)坝坡稳定分析计算工况。根据SL 274-2001碾压式土石坝设计规范的要求,并结合水库的运用情况,稳定分析计算工况为:a.正常工况:正常水位89 m时形成稳定渗流期上、下游坝坡稳定;设计洪水位90.24 m时形成稳定渗流期上、下游坝坡稳定;b.非常工况:库水位由校核水位91.05 m突降至正常水位89 m时,上游坝坡稳定。

2)坝坡稳定分析成果。众乐水库大坝稳定性按Ⅴ级建筑物标准进行核算,根据SL 274-2001碾压式土石坝设计规范,采用Bishop法计算时,安全系数应满足:正常情况不小于1.25;非常情况不小于1.15。瑞典圆弧法计算时,安全系数应满足:正常情况不小于1.15;非常情况不小于1.06。坝坡稳定最小安全系数见表2。

表2 坝坡抗滑稳定最小安全系数

3)坝坡稳定分析。参考SL 252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准,SL 274-2001碾压式土石坝设计规范,采用Bishop法计算坝坡稳定时,Ⅴ级建筑物的容许安全系数为:正常情况1.25,非常情况1.15。采用瑞典圆弧法计算坝坡稳定时,安全系数可降低8%,即正常情况不小于1.15,非常情况不小于1.06。坝坡稳定核算结果显示,采用Bishop法计算时,众乐水库大坝上、下游坝坡,在正常情况下安全系数均大于1.25,在非常情况下安全系数均大于 1.15。因此,众乐水库大坝上、下游坝坡,在正常情况、非常情况下安全系数均大于设计规范值,上、下游坝坡整体上均是稳定的。

4 结语

文章结合众乐水库工程的实际情况进行了综合的安全评价,并采用相关资料解决了安全评价过程中所遇到的问题。大坝上下游抗滑稳定基本满足规范要求,但大坝坡面排水系统不健全,大坝上、下游坡均为卵石护坡,水库建成时无溢洪道,近期人工开挖而成的溢洪道断面较小,无消能措施,土体稳定性较差,放水管砌筑质量差,局部出现裂缝,并有渗水和射流现象。因此,大坝结构安全性评价为C级;大坝下游坡渗透稳定满足规范要求,但是,由于水库未经过高水位的考验,且副坝坝体与坝基接触带未处理及输水洞可能存在渗漏问题,因此,该工程的渗流安全定为B级;综合评价该大坝为三类坝。

[1]SL 252-2000,水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[2]SL 274-2001,碾压式土石坝设计规范[S].

[3]《水工设计手册》编写组.水工设计手册[M].北京:水利电力出版社,2002.