苏家沟水库拦河坝渗流稳定计算

冯景可

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

苏家沟水库位于河北省秦皇岛市卢龙县的潘庄镇苏家沟村东南，控制流域面积0.52km2。水库主要由大坝枢纽、溢洪道及放水洞3部分组成，原设计总库容12.55万m3。是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖的小（Ⅱ）型水库。工程等别为Ⅴ等，主要建筑物拦河坝、溢洪道、放水洞为5级建筑物。

苏家沟水库现有灌溉农田26.7hm2，保护下游耕地20hm2。水库建成运行30多年来，为农业增产和当地人们生活的稳定发挥了积极作用。由于存在的问题严重威胁工程自身安全和水库下游的防洪安全，为彻底消除水库工程安全隐患，充分发挥其在防洪、灌溉等方面的综合效益，需尽快实施水库除险加固工程。

2 水文地质概况

2.1 水文

苏家沟水库处于暖温带亚湿润气候区，属大陆季风气候，四季分明，春季温凉少雨，夏季炎热多雨，秋季干湿相间，冬季寒冷干燥。区内多年平均气温10.7℃，7月份平均气温25℃，极端最高气温39℃（1972年7月16日），1月平均气温零下6.4℃，极端最低气温零下22.7℃（1978年12月29日），年内日平均气温5℃以上的持续时间229d。年日均气温0℃以上持续时间260d。

多年平均降雨量706mm，年最大降雨量1092mm，年最小降雨量323mm，日最大降雨量393.3mm；历年最大洪水多出现在6～9月。洪水在年际变化上与降雨基本相同，具有年际变化悬殊的特点。年平均风速2.4m/s，最大风速17m/s。年最多为西南风，次为西北风。县内多年平均实际封冻日期每年69d。开始结冰日期，最早11月5日，最晚12月2日。

2.2 地质

苏家沟水库坐落于卢龙县潘庄镇苏家沟村东南，地处燕山南麓长城脚下的低山丘陵区，山峦重叠，沟壑纵横，水土冲刷严重，河流两岸多为第四系覆盖层及岩石风化残积物和裸露基岩。地面高程74.26～102.28m。

坝址区丘陵起伏，沟谷发育，库区的水源主要为大气降水，通过地表（泉）明排，基岩裂隙水渗透和第四系孔隙水径流汇集于水库，储水易受季节性控制。地下水位埋藏较浅，主要是靠大气降水补给。2012年勘探期间地下水埋深 6.00～6.10m，地下水位73.69～73.79m。以第四系地层孔隙潜水和基岩裂隙水两种形式存在。

孔隙潜水主要赋存于第四系覆盖层的孔隙中。第四系覆盖层分布广泛，透水性差，接受大气降雨补给，水量不丰富。

地层岩性主要有第四系覆盖层冲洪积层（Q4al+pl）、第四系全新统人工堆积（Qs）填土和太古界混合片麻岩（Ar）。

建筑物区所处的构造单元为一级构造单元的中朝准地台，二级构造单元的燕山台皱带东段，三级构造单元的山海关台拱中部及辽西陷褶断束南缘。根据中国地震局制定、国家质量技术监督局发布的GB18306—2001《中国地震动参数区划图》划分及GB50011—2010《建筑抗震设计规范》，该区地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震烈度7度，地震动反应谱特征周期0.40s。

土体抗剪强度的指标建议值采用各级荷载下峰值抗剪强度的小值平均值；压缩系数和压缩模量的指标建议值采用各级荷载下孔隙比的大值平均值，当试验值存在明显差异时，采用经验值提出建议值；承载力建议值的提出主要是依据室内试验及参考经验值，并综合分析场区地质条件后确定。

根据室内试验、原位测试及经验值，综合提出土体物理力学性质建议值，如表1所示。

表1 坝体及坝基材料物理力学性质

3 拦河坝渗流计算

3.1 计算方法

拦河坝坝轴线为曲线，坝基条件较均一，现状坝顶高程变化不大，因此选取河床部位最大坝高断面作为典型计算断面。采用河海大学水工结构有限元分析系统（AutoBANKv7.07）进行计算。

3.2 稳定渗流计算

3.2.1 计算工况

上游正常蓄水位83.56m，下游无水；上游设计洪水位84.85m，下游水位与河床地面齐平；上游校核洪水位85.71m，下游水位与河床地面齐平。

3.2.2 计算结果

由程序（AutoBANKv7.07）求解稳定渗流期各工况渗流场。以正常蓄水位工况为例，H=83.56m，渗流量（进）=1.04512×10-6m3/s，浸润线与渗流场速矢量图如图1。

图1 正常蓄水位流速矢量图

3.3 非稳定渗流计算

3.3.1 计算工况

上游正常蓄水位83.56m降至死水位78.8m以上的任意水位；上游水位由校核洪水位85.71m降至正常蓄水位83.56m。

3.3.2 计算结果

由程序（AutoBANKv7.07）求解各工况渗流场。以正常蓄水位降至死水位工况为例，水位由83.56m降至78.8m，降落时间为120.14h。

t=0h，H=83.56m，渗流量（进）=1.04513×10-6m3/s；

t=24.028h，H=83.5124m，渗流（进）=4.494×10-6m3/s，渗流量（出）=-1.25401×10-6m3/s；

t=48.056h，H=82.5604m，渗流量（进）=3.20743×10-9m3/s，渗流量（出）=-1.93047×10-6m3/s；

t=72.084h，H=81.6084m，渗流量（进）=0，渗流量（出）=-2.22189×10-6m3/s;

t=96.112h，H=80.6564m，渗流量（进）=2.86742×10-9m3/s，渗流量（出）=-2.47352×10-6m3/s；

t=120.14h，H=79.7044m，渗流量（进）=0，渗流量（出）=-2.58677×10-6m3/s。浸润线与渗流场流速矢量图如图2。

图2 正常蓄水位降至死水位流速矢量图

3.3.3 坝坡出溢坡降

渗流在拦河坝坡面溢出，下游坝坡不发生流土条件，其公式：

式中 θ为坝坡坡角，θ＝22°；φ坝体土的内摩擦角，采用勘探试验成果 φ＝16°；c 为坝体土粘结力（t/m2），采用本次勘探试验成果c＝1.6t/m2。

下游坝坡渗透稳定。

4 拦河坝稳定计算

4.1 计算方法

拦河坝抗滑稳定计算断面选取同渗流稳定计算断面；坝体及坝基物理力学性质指标如表1。坝坡稳定计算采用圆弧法，按计及条块间作用力的简化毕肖普法进行计算，采用河海大学水工结构有限元分析系统（AutoBANKv7.07）进行计算。

4.2 计算工况

按SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定，计算工况如表2。

表2 坝坡抗滑稳定计算工况

4.3 安全系数

根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》，5级大坝抗滑安全系数为：正常工作条件下大坝稳定安全系数应大于等于1.25；非常工作条件Ⅰ下大坝稳定安全系数应大于等于1.15；非常工作条件Ⅱ下大坝稳定安全系数应大于1.10。

4.4 计算结果

由程序（AutoBANKv7.07）求解各工况最危险滑面。以校核水位85.71m降至正常蓄水位83.56m工况为例，上游坝坡最危险滑弧如图3。

图3 校核水位降至正常蓄水位工况上游坝坡最危险滑弧

拦河坝上、下游坝坡各种工况下抗滑稳定计算结果如表3。

表3 加固后坝坡抗滑稳定计算成果

5 结语

苏家沟水库拦河坝加固后上、下游坝坡抗滑稳定，在正常工作条件和非正常工作条件下，安全系数均大于规范要求最小安全系数，满足规范要求。加固后拦河坝上下游稳定。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.卢龙县苏家沟水库除险加固工程初步设计报告［R］.2013.

［2］河北省水利水电勘测设计研究院.卢龙县苏家沟水库除险加固工程初步设计报告（报批稿）［R］.2013.

［3］马文英，刘建中，李显军.水工建筑物［M］.郑州：黄河水利出版社，2003.

［4］SL274—2001，碾压式土石坝设计规范［S］.

［5］SL189—96，小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则［S］.