水库堤坝渗流稳定分析

章胜玲，李振龙

（上海勘测设计研究院，上海市 200434）

1 地质及水文条件

1.1 工程地质

水库新建西堤位于东风西沙夹泓西侧，起点与北堤（现有崇明大堤白港二队转折点）连接，穿越东风西沙北夹泓，终点通过取水泵闸之间的连接平台及闸上交通桥与南堤（东风西沙围堤东北角头部）连接。大堤堤线呈弧线型，总长约2 352 m，泥面高程约1~4 m。堤基各土层物理力学性质参数见表1。

表1 堤基各土层物理力学性质参数表

1.2 工程水文条件

工程河段处于长江口，受地形和长江径流影响，潮位、潮差和潮时沿程发生变化。东风西沙工程区历史最高潮位6.24 m，多年平均高潮位3.43 m，多年平均低潮位1.06 m，咸潮期平均潮位2.4 m，年平均潮位2.25 m，历史最低潮位-0.08 m。东风西沙水库工程区百年一遇最高潮位6.43，库内设计最高蓄水位5.65 m。

2 大堤结构设计

水库新建大堤采用吹填砂筑堤工艺，堤顶高程7.60 m，防浪墙墙顶高程7.80 m，堤顶宽6.0 m，库内、外侧边坡均为1∶3。大堤内外侧各设充填袋装砂棱体，棱体均采用吹泥管袋，棱体间堤芯采用散吹砂。库外及库内均设230 g/cm2反滤土工布；摊面高处堤身范围滩面采用反滤土工布护底，摊面低处堤身范围滩面采用φ300 mm@1500砂肋软体排护底。内外侧抛石布置，备料抛石棱体可作为堤身吹填的屏障，从而确保施工期间堤身安全。

3 堤坝渗流稳定分析

3.1 水位组合

大堤渗流计算及整体稳定计算水位组合见表2，3。

表2 大堤渗流计算水位组合表

表3 大堤整体稳定计算水位组合表

3.2 渗流稳定分析理论

3.2.1 渗流分析（非饱和土渗流理论）

非饱和土非稳定渗流的基本控制微分方程为：

式中：H——总水头；kx——水平渗透系数；ky——垂直渗透系数；Q——渗透量；θ——体积含水量；t——时间。

等式右边体积含水量变化率为0时，得出非饱和土稳定渗流基本微分方程：

3.2.2 边坡稳定分析——瑞典条分法

总应力法：

有效应力法：

式中：K——整个滑体剩余力计算的安全系数；l——单个土条的滑动面长度，m，l=bsecθ；W——条块重力，kN，浸润线以上取重度，以下取饱和重度；θ——条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角，度；U——条块所受到的浮力，kN；D——条块所受到的渗透力，kN，据孔隙水压力梯度场积分得出；α——条块的渗透力与水平力的夹角，度；C，φ——土的抗剪强度指标，采用总应力法时，取总应力指标，采取有效应力法时，取有效应力指标。

3.3 计算成果及分析

由表4中没有设置防渗墙的渗流计算结果可知，堤身坡面最大出逸坡降（除工况3）均大于允许渗透坡降［J］=0.25，堤基表面最大出逸坡降，工况2至工况5的均小于允许渗透坡降，工况1大于允许渗透坡降。

表4 大堤渗流分析计算成果表

通过分析成果，大堤需要采取渗控措施，以提高围堤的渗透稳定。渗控措施在堤轴线靠长江侧堤身及堤基布置高压摆喷防渗墙，孔间距1.60 m，墙顶高程7.00 m，墙体应打穿粉砂层伸入相对不透水层⑤1-1淤泥质粘土内2.0 m。根据地勘报告工程地质评价，⑤1-1层顶面高程-16.00～-18.80 m，防渗墙底高程应为-18.00～-20.80 m，平均高程-19.40 m，防渗墙设计底高程-19.50 m（平均）。

该法防渗效果好，施工所需场地较小，也能穿透充砂管袋、软体排等障碍物，较为适宜本水库围堤。

高压摆喷建造复合水泥浆防渗墙渗透系数不大于 n×10-6cm/s（1≤n＜9），允许渗透比降大于60。设计要求墙体强度R≥3.0 MPa，成墙有效厚度不小于0.30 m。

因此，对设置高压摆喷防渗墙，也进行了渗流稳定分析的计算。

计算结果表明，西堤堤身及堤基布置高压摆喷防渗墙（厚0.30 m，深26.50 m）后，水库围堤沿坡面和沿下游基础面，渗流出逸坡降均小于允许渗透坡降［J］=0.25，满足要求，其渗流量是围堤不设防渗措施渗流量的60%左右，减小了40%左右。

由渗漏量计算成果看，库内向库外单位渗漏量大于库外向库内。

经计算，各种计算工况下堤坡整体抗滑稳定安全系数均大于规范规定值，满足设计规范要求。

4 结语

1）采用非饱和渗流模型对东风西沙水库堤坝进行稳定渗流分析，确定堤坝堤基、堤坡、堤身渗透坡降，论证水库堤坝采取防渗措施的必要性。

2）通过对比分析，水库堤坝采取封闭式防渗墙的渗控措施后，水库大堤各渗流计算工况堤身和堤基渗透坡降均能满足渗透稳定要求。

3）采取渗控措施后，水库堤坝的抗滑稳定满足要求。

［1］顾慰慈编.渗流计算原理及应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2000，08.

［2］钱家欢，殷宗泽主编.土工原理与计算［M］.北京：中国水利水电出版社，2000，10.

［3］毛昶熙，段祥宝，李祖贻编.渗流数值计算与程序应用［M］.南京：河海大学出版社，1999，01.

［4］朱伯芳编.有限单元法原理与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，1998，10.

［5］陈仲颐，周景星，王洪瑾编.土力学［M］.北京：清华大学出版社，1997，10.

［6］龚晓南主编.土工计算机分析［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000，10.

［6］陈祖煜著.土质边坡稳定分析——原理、方法、程序［M］.北京：中国水利水电出版社，2003，1.