土石坝除险加固渗流稳定复核研究

冯 宵，卢 敏，王淑文，王良泽南，孟志元

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201)

0 引言

目前，我国已建水库8.7万余座［1］，大坝大多以土石坝为主，土石坝占我国大坝总数的83%［2］。渗流对土石坝影响非常不利，当渗透流速或渗透坡降高于某一固定界限时，就会导致坝体或坝基土体变形。国内外土石坝失事大多是由于渗流破坏产生的［3］。如1976年美国提堂坝就是因为坝体右岸的窄断层发生渗透破坏，导致大坝在短时间内跨坝［4］。此外，坝坡稳定是影响土石坝安全的另一个重要因素。1989年我国云南省漫湾水电站坝肩在开挖时发生了滑坡事件，财产损失近亿元［5］。

目前，我国正对多年运行的水库进行大规模除险加固。为防止病险水库溃坝［6］，在对土石坝进行除险加固处理的同时，需对除险加固设计进行坝体的渗流稳定复核，以保证坝体的安全。因此，加强对土石坝渗流和坝坡稳定性分析，在土石坝的除险加固中显得尤为重要。本文采用GeoStudio软件，对某水库水石坝除险加固设计进行渗流稳定复核。

1 计算原理

1.1 SEEP/W模块

SEEP/W模块是GeoStudio［7］分析软件的八大模块之一。在SEEP/W软件中，通过渗流有限元［8］计算，分析坝坡在不均匀饱和条件与非饱和条件下的孔隙水压力，也可分析坝坡稳定时瞬态孔隙水压力。通过瞬态分析，可以得到不同时刻、不同点的孔隙水压力分布状况。通过分析孔隙水压力随时间变化的结果，研究坝坡、路堤稳定性与时间的关系。本文针对水库的实际情况，以达西定律为依据，采用SEEP/W软件对大坝各工况(校核水位工况、设计洪水位工况、正常水位工况和死水位工况)进行渗流分析，求得各工况下的单宽渗流量，并得到浸润线。渗流分析结果直接应用于坝坡稳定分析计算中。

1.2 SLOPE/W模块

SLOPE/W也是GeoStudio中的一个模块。SLOPE/W能分析一系列较复杂的问题，包括在稳定性分析中如何计算孔隙水压力以及如何应用有限元法进行应力分析等，不仅能拓宽分析的可能性，还能克服极限平衡法［9］的局限性。本文在完成渗流计算的基础上，通过刚体极限平衡原理，采用SLOPE/W软件对大坝各工况进行抗滑稳定计算，求得各工况下大坝上、下游坝坡的最小安全系数，分析地震响应作用时大坝的稳定性。

2 工程概况

水库位于珠江流域南盘江水系巴江支流马料河支流上。该水库是一座以农田灌溉为主，兼顾防洪调节、水产养殖等综合利用的小(2)型水库。工程区的相应地震基本烈度为Ⅷ度。大坝为均质土坝，最大坝高18.4 m，坝顶高程1 723.4 m，坝顶长200 m，宽5.0 m。水库控制径流面积11.5 km2，正常蓄水位1 720.0 m，总库容30×104 m3。根据SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，本水库属Ⅴ等工程，主要、次要建筑物级别均为5级。按照GB 50201—94《防洪标准》规定，水库设计洪水标准为20年一遇，即P=5%，校核洪水标准为200年一遇，即P=0.5%。

大坝安全鉴定时，对洪水进行了复核，结论为:大坝不满足200年一遇校核洪水及20年一遇设计洪水防洪要求。根据SL 258—2000《水库大坝安全评价导则》，水库防洪安全复核鉴定属于C级，需对水库进行除险加固。

初拟大坝坝高18.4 m，坝顶高程为1 723.4 m，坝顶长200 m，坝顶宽4.5 m，两边设有混凝土路缘及防浪墙;上游坝坡分2个变坡，1 719.0 m高程到坝顶坡比为 1∶2.2，1 719.0 m高程以下坡比为1∶3.493;下游坝坡坡比为1∶2.2，1 707.36 m 高程处为排水棱体得顶部，宽1.5 m，排水棱体坡比为1∶1和1∶1.5。挖除部分原排水棱体后，回填新风化料，以满足大坝稳定要求。坝体最大横断面见图1。

图1 大坝横断面示意

3 计算分析

3.1 计算参数及模型建立

由于土工试验采取的是饱和固结快剪，指标偏低，故建议各岩土体的物理力学参数取平均值作为标准值。大坝坝土、坝基分区岩土体物理力学指标见表1。

表1 坝体各区岩土体的物理力学指标

在进行模型计算时，网格数量、疏密和质量及形状、单元阶次等因素的选择尽可能按照最优原则划分。单元的长宽比大致控制在1∶1～1∶2之间。建立的大坝结构计算模型见图2。

图2 大坝结构计算模型

3.2 渗流分析

建模后，用SEEP/W软件对坝体进行渗流分析时，首先要确定分析剖面以及断面材料的渗透参数，坝体剖面采取河床最大断面。在计算最大剖面渗流状况时，分别考虑正常蓄水位、校核洪水位、设计洪水位和死水位4种工况。坝体渗流计算成果见表2。现状大坝长200 m，从计算结果初步估算，大坝运行期全年理论渗漏量约72 000 m3，全年渗漏量约为总库容的1/7，渗漏量从除险加固前的315 000 m3减少至72 000 m3，故除险加固帷幕灌浆后水库的渗漏量已较除险加固前明显减少，不影响水库对受益区供水功能的正常发挥，除险加固的目的得到了满足。

3.3 稳定分析

该工程需要考虑稳定渗流情况下的上、下游坝坡稳定情况和非稳定渗流［10］情况下的上游坝坡稳定情况。本工程只需计算对坝体稳定最不利的工况组合。经分析，该工程大坝稳定计算工况组合见表3。

表2 大坝渗流计算成果

表3 大坝稳定计算工况组合

根据渗流计算结果及断面材料的渗透参数，用SLOPE/W软件对坝体的各个工况进行稳定分析，并采用毕肖普法［11］计算出坝体抗滑稳定系数。坝体抗滑稳定安全系数计算结果见表4。设计洪水位坝坡滑移面和设计洪水位坝坡地震作用下滑移面模拟结果分别见图3、4。从图3、4可知，在存在危险滑移面的情况下，浸润线下降幅度明显，说明坝体没有发生渗透破坏，且坝体边坡稳定。

表4 大坝抗滑安全系数

综上分析，在稳定渗流情况下，上、下游坝坡最不利工况下的除险加固水库坝体抗滑、抗震稳定安全系数均大于规范要求值，说明除险加固后水库大坝上、下游坝坡均稳定;在非稳定渗流情况下，上、下游坝坡在最不利工况下的除险加固水库坝体抗滑、抗震稳定安全系数均大于规范要求值，说明除险加固后水库在此情况下也是稳定的。以上渗流稳定复核表明，该水库坝体除险加固设计合理。

图3 设计洪水位坝坡滑移面

图4 设计洪水位坝坡地震作用下滑移面

4 结语

土石坝除险加固设计需要进行坝体的渗流稳定复核。本文采用GeoStudio软件中的SEEP/W模块，结合坝体材料的力学参数进行渗流分析计算，把计算结果直接沿用到坝坡稳定分析中，再通过GeoStudio软件中的SLOPE/W模块进行坝体坝坡稳定分析。目前，有许多土石坝正在进行除险加固，土石坝除险加固设计的渗流稳定复核尤为重要，为水库正常运行提供了有效保障。GeoStudio软件在计算除险加固水库坝体的坝坡稳定时即准确又方便，可应用于除险加固坝坡稳定设计复核计算中，为大坝安全评价提供依据。

［1］钮新强.大坝安全与安全管理若干重大问题及其对策［J］.人民长江，2011，42(12):1-5.

［2］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［3］牛效辉.土石坝断面优化设计研究［D］.成都:西华大学，2008.

［4］ LONG M.Databaseforretaining wall and ground)movementsdue to deep excavations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127(33):203-224.

［5］刘杰.沟后水库溃坝原因初步分析［J］.人民黄河，1994(7):28-32，62.

［6］严祖文，魏迎奇，张国栋.病险水库除险加固现状分析及对策［J］.水利水电技术，2010，41(10):76-79.

［7］孙兆涛，张剑，杜研岩，等.基于Geo-Studio软件的某尾矿坝坝坡稳定性分析［J］.露天采矿技术，2013(5):34-35.

［8］王勖成.有限单元法［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［9］ ZHOU X P，CHENG H.Stability analysis of three-dimensional seismic landslides using the rigorous limit equilibrium method［J］.Engineering Geology，2014，174(5):87-102.

［10］周建烽，王均星，陈炜.非饱和非稳定渗流作用下坝坡稳定的有限元塑性极限分析下限法［J］.岩土工程学报，2014，41(12):2300-2305.

［11］ GARRA R， SALUSTI E.Application of the nonlocal Darcy law to the propagation of nonlinear thermoelastic waves in fluid saturated porous media［J］.Physica D:Nonlinear Phenomena，2013，250(5):52-57.