姜家沟水库除险加固工程土坝坝体防渗计算

林汉彪，吴 红

(1.勃利县九龙水库管理处，黑龙江勃利 154500;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

姜家沟水库除险加固工程土坝坝体防渗计算

林汉彪1，吴 红2

(1.勃利县九龙水库管理处，黑龙江勃利 154500;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

对尚志市姜家沟水库土坝的防渗功能进行了阐述，对坝体及坝基进行了渗透分析，计算并复核了坝坡稳定。

渗流量;浸润线;渗流分析;坝坡稳定

1 工程概述

姜家沟水库位于黑龙江省尚志市老街基乡姜家沟村境内，行政上隶属尚志市水务局直接管辖。坝址地理坐标为E128°00'，N44°58'。水库坝址以上集水面积为17.6 km2，多年平均径流量493万m3，水库原设计总库容为158万m3，是以灌溉为主，兼顾防洪、养鱼等综合利用的小(1)型水利枢纽。

2 土坝工程布置

本次设计土坝坝长为800 m，设计坝顶高程为132.70 m，平均坝高5 m，坝顶宽5 m。坝顶路面采用砂石路面，路面厚度20 cm，路顶两侧路缘石，宽15 cm，高40 cm。土坝加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用1∶2.5。土坝坝脚采用梯形混凝土固脚，顶宽40 cm，底宽80 cm，高80 cm。在高程127.20 m以下采用抛石型式，抛石顶宽度3 m，坡比为1∶1.5。上游护坡型式为现浇混凝土板护砌，混凝土板厚20 cm，下设0.1 m砾石和无纺布一层，下游采用草皮护坡，设贴坡排水体及排水沟。

3 坝体渗流分析及控制

依据(SL274－2001)《碾压式土石坝设计规范》、《水工设计手册》中有关公式进行计算。本土坝是均质土坝，坝基为黏土层，故坝基总的渗水量不大，根据地质资料，对大坝渗流进行分析。土坝断面以坝标准断面为例，渗透计算按均质坝、坝脚无排水设备时最不利情况计算。渗流计算主要是确定各种控制水位时浸润线位置及渗透比降，据此进行坝基与坝坡的渗透安全分析，渗流计算采用有限深不透水地基上的均质土坝。

3.1 渗流量计算

1)对于坝基黏性土较厚的坝段，按不透水地基均质坝进行计算，坝体渗流计算为:

式中:q为单位宽度渗流量，m3/s·m;m1、m2为上、下游坡比k为坝体渗流系数，m/s;H1为坝前水深，m;H2为坝后水深，m;L为上游水位距下游坝脚的水平长度;h0为下游出逸点高度，m。

3.2 坝体浸润线计算

计算公式为:

3.3 下游坡渗流比降计算

下游无水情况，不透水地基坝坡出逸点处渗流比降按下式计算公式为:

式中:J0为下游背水坡出口比降;m2为下游坡比。坝坡出逸点处与坝趾处交点之间呈直线变化。各种计算情况的计算结果详见表1。

表1 土坝渗流量、下游逸出点高度计算成果表

土坝经过加高培厚之后，经计算，堤坡抗冲刷破坏的临界比降Jc为0.564，因此土坝下游坡渗流出逸段处的比降均满足设计要求。

4 坝坡稳定复核

坝稳定分析主要找不利稳定情况进行计算，水库在正常水位情况下，且浸润线已基本形成，渗透水压力指向下游，对下游坝坡稳定是最不利的，因此本次设计共计算以下工况:稳定渗流期的上、下游坝坡;最不利水位对应的上、下游坝坡，稳定分析选择最大坝高断面进行计算，计算代表断面为0+579。

坝坡抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法。对于均质坝采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算公式为:

式中:W为土条重量，kN;u为作用与土条底面的孔隙压力，kN/m2;α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°;b为土条宽度，m;c′、φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标，kN/m2;R为圆弧半径，m。

根据工程地质勘探和土工试验成果，结合地形条件、土坝高度和填筑材料等，共选取1个典型断面进行稳定计算。

采用北京水利水电科学研究院编制的《土坝边坡稳定计算软件》“STAB2005”进行计算。

由于现状土坝上、下游坡比较缓，因此维持原坡比不削坡，从后坡加高培厚，土坝加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用 1∶2.5。

本次选取代表断面0+579进行计算，求得的坝坡稳定系数见下表2。

表2 坝坡稳定系数表 m

姜家沟水库为Ⅳ等4级建筑物，允许最小抗滑稳定安全系数:

正常运用K=1.25，非常运用K=1.15

从表2可见，本次设计土坝仍采用现状坡比，加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用1∶2.5。均能满足最小安全系数要求。

5 坝基渗透分析及控制

经地质勘探坝基土岩性主要为低液限黏土①、低液限粉土②，厚度≥5.90 m，分布连续，属中等压缩土，坝基土的垂直渗透系数为＜1.00×10－7cm/s，为相对不透水层，①、②层其下③层是级配良好粗砂，④层是级配不良细砾。坝基渗漏量甚小，在高水头的作用下，③层级配良好粗砂与④层级配不良细砾易发生渗透破坏，破坏形式为管涌类型，其允许渗透水力比降建议值〔J〕允许=0.20。应用理正程序采用有限元方法，经计算，③、④层的渗透比降接近于0，＜〔J〕允许。坝基不会产生渗漏，坝基土的渗透稳定性较好，因此对坝基不做防渗处理。

姜家沟水库带病运行多年，严重影响下游人民生命产财产安全，除险加固工程可以从根本上解除水患，改善农业生产条件，增强抗御水旱灾害的能力，促进农村经济发展，增加农民收入，保护和改善了水库下游防洪安全，为促进社会稳定发展、提高种植业经济效益，加快区域地方政治、经济、文化等发展起到积极的作用。

［1］ 黑龙江省水利水电勘测设计研究院.尚志市姜家沟水库除险加固工程初步设计报告［R］.哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2011.

TV698.23

B

1007－7596(2011)05－0053－02

2010－12－26

林汉彪(1965－)，男，黑龙江勃利人，工程师;吴红(1965－)，女，黑龙江哈尔滨人，高级工程师。