桎木水库大坝渗流与稳定分析

罗泽旻

（娄底市水利水电勘测设计院　娄底市　417000）

桎木水库大坝渗流与稳定分析

罗泽旻

（娄底市水利水电勘测设计院娄底市417000）

渗流安全是大坝稳定的保证，没有渗流安全就没有大坝安全。文章通过对桎木水库大坝最大坝高处断面进行渗流及坝坡稳定分析计算，其结果为水库大坝坝身与坝基处理提供依据，采取相应措施进行渗流控制。

桎木水库土坝渗流分析坝坡稳定分析

1 工程概况

桎木水库位于娄底市娄星区茶元镇桎木村，处于湘江水系涟水河支流檀山湾河春溪上游，北依桎木大山、南傍槐柳山。水库大坝控制集雨面积3km2（其中外引0.8km2），由引水渠控制引水。大坝为均质土坝，坝顶高程180.50m，最大坝高25.5m，坝顶轴长280m，最大坝底宽度129.6m，坝顶宽度3.8 m。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵管等组成，是一座以灌溉为主，结合防洪、养鱼及季节性供水等综合利用的小（I）型水利工程。

在水库运行过程中，经检查发现，存在如下问题：①大坝散浸严重；②大坝接触面渗漏严重，同时存在坝基渗漏和左右岸坝端绕坝渗漏。

2 大坝渗流分析

2.1计算断面的确定

大坝渗流计算断面为大坝最大坝高断面，该断包含该坝址处所有地质情况，具有较为可靠的地质钻孔资料和土工试验结果，因此将该断面作为典型断面进行计算分析。其计算断面形状见图1。

2.2渗透指标的确定

本次计算断面的渗透分区主要根据地质勘探的结果，按照现场所取原状样的室内土工试验及现场注水试验，综合大坝建设和运行管理情况，将大坝计算断面划分为5个渗透分区，渗透分区情况见图1，各渗透分区材料的水平、垂直渗透系数见表1（水平渗透系数根据现场注水试验确定，垂直渗透系数参照水平渗透系数根据实际工程经验确定），给水度μ计算公式如下：

μ=1.137n（0.0001175）0.60/（°）

式中μ——给水度；

n——孔隙率。

表1　桎木水库大坝计算断面渗透分区指标

2.3计算程序说明

本次大坝渗流计算分析采用南京水科院的二维非稳定渗流及坝坡稳定分析有限单元法程序UNSST2（UnsteadySeepageandStability）。

2.4渗流计算

2.4.1渗流计算工况的确定

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第7.1.2条规定：渗流计算时应考虑水库运行出现的各种不利条件。本次渗流计算分析按以下工况进行：

①上游正常蓄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；④上游为1/3坝高水位与下游相应的水位；⑤库水位骤降时，对上游坝坡稳定最不利的情况。

2.4.2稳定渗流计算内容及结果

本次稳定渗流计算按正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及1/3坝高水位等四种控制水位进行复核、分析，其计算结果及渗流运行状况见图2。

图2　稳定计算结果及渗流运行状况

2.4.3非稳定渗流计算内容及结果

（1）降水曲线的确定。

假设时段内无降雨，输水涵洞以允许最大流量快速往下游宣泄库水。将库水位降落期分成6个时段进行非稳定渗流计算，各时段的上游水位值及相应的时间间隔见表2。

（2）非稳定渗流计算结果。

本次非稳定渗流计算按以下两种工况进行分析：

工况1：水库水位自正常蓄水位178.50m骤降至死水位，下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m；渗流运行状况见图3。

表2　桎木水库大坝非稳定渗流计算时段及水位

图3　工况1渗流运行状况

工况2：水库水位自校核洪水位179.71m骤降至死水位，下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m；渗流运行状况见图4。

图4　工况2渗流运行状况

（3）计算成果分析。

坝坡渗出点的临界渗透坡降可按下式计算：

式中γ——水容重，取γ=10KN/m3；

γ′1——坝体填土的浮容重，取γ′1=18.7KN/m3；

C——坝体填土的凝聚力；

Φ——坝体填土的内摩擦角；

β——下游坡脚。

计算成果见表3。

3 大坝坝坡抗滑稳定分析

3.1分析方法及计算程序说明

由于大坝为均质土坝，大坝坝坡整体稳定分析可根据《土工原理与计算》、《碾压土石坝设计规范》采用简化毕肖普法或瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数。本次坝坡抗滑稳定计算采用北京水科院陈祖煜同志编的《STAB1》坝坡稳定分析程序微机版，该程序可以进行土石坝和土坡的施工竣工期、稳定渗流期、库水位降落期的有效应力法和总应力法分析。《STAB1》程序可以同时用毕肖普法、瑞典圆弧法、改良瑞典圆弧法（罗厄法和美国工程师兵团法）算出圆弧滑裂面的安全系数，安全系数分别用AB1、AB、AB3、AB4表示，并找出相应于瑞典圆弧法的最小安全系数及其相应的圆弧滑裂面的位置。

表3　桎木水库大坝最大断面渗流计算成果表

3.2计算断面及参数指标的确定

大坝坝坡抗滑稳定计算断面同渗流分析计算断面。计算断面根据地质勘探结果，按照现场所取原状样的室内土工试验及钻孔柱状图，综合大坝建设和运行管理情况确定稳定计算各材料的分区及指标，各材料分区各种物理力学指标见表4。

表4　桎木水库大坝计算断面稳定计算材料分区指标

3.3坝坡抗滑稳定计算内容及结果

3.3.1坝坡抗滑稳定计算工况的确定

依照《碾压式土石坝设计规范》（SL278-2001）的要求和桎木水库实际运用情况，对断面抗滑稳定分别进行了下列工况的计算：①稳定渗流期的下游坝坡；②水库水位骤降期的上游坝坡。

（1）正常运行分三种情况

①正常蓄水位178.50m下形成稳定渗流时的下游坝坡稳定；下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m，计算结果见图5（a）；②设计洪水位179.41 m下形成稳定渗流时的下游坝坡稳定，下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m，计算结果见图5（b）；③库水位为1/3坝高水位164.50m下形成稳定渗流时上游坝坡稳定；下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m，计算结果见图5（c）。

图5　正常运行三种情况

（2）非正常运行分三种情况

①校核水位179.71m下有可能形成稳定渗流时的下游坝坡稳定，下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m，计算结果见图6（a）；②水库水位自正常蓄水位178.50m骤降至死水位时的上游坝坡稳定，下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m，计算结果见图6（b）；③水库水位自校核洪水位179.71m骤降至死水位时的上游坝坡稳定，下游边界取下游地面出渗高程为水位156.50m，计算结果见图6（c）。

3.3.2计算结果

计算成果见表5。

图6　非正常运行三种情况

由以上计算结果可知：正常运行情况下，上游水位为正常蓄水位和设计洪水位时，下游坡抗滑稳定安全系数小于规范允许值，坝坡不能满足稳定要求；校核洪水位时，下游坝坡抗滑稳定安全系数略大于规范要求；库水位为1/3坝高时上游坝坡抗滑稳定安全系数满足规范要求。非常情况下库水位自正常水位和校核水位骤降至死水位时上游坡处于最危险状态，其最小安全系数分别为1.252和1.226，大于规范允许值。因此，在各运行工况下，桎木水库大坝下游坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求，上游坝坡抗滑稳定安全系数满足规范要求。

4 结语

本文通过对桎木水库大坝典型断面进行渗流计算，得出在各特征水位下坝体浸润线图、单位坝段恒定渗流量及下游坝坡的溢出坡降。由于大坝坝体填筑质量差，透水性较大，稳定渗流情况下大坝内浸润线较高。但该断面渗流计算结果表明大坝坝体内部稳定渗流最大渗透坡降值极值为0.40，非稳定渗流最大渗透坡降值极值为0.30，发生位置均为坝体内部，其值都小于允许渗透坡降，因此，大坝坝体不存在局部渗透破坏的可能性。在渗流计算分析结果下进行大坝稳定分析计算，得出大坝在正常蓄水位和设计洪水位时，下游坡抗滑稳定安全系数小于规范允许值，坝坡不能满足稳定要求，因此，在水库除险加固中，要积极采取防渗措施对坝身和坝基进行渗流控制，以保障大坝稳定安全。

表5　桎木水库大坝最大断面坝坡稳定计算成果表

［1］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［2］中华人民共和国水利部.碾压土石坝设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［3］刘杰，武建萍，高丽梅.水库除险加固后大坝的渗流稳定分析［J］.内蒙古农业科技，2010，（01）：57.

罗泽旻（1979-），男，大学本科，工程师，主要从事水工设计工作，手机：13507381211。

（2016-08-03）