厄坑垅水库大坝除险加固前后坝体渗流及稳定性分祈

吴恭王

（江西省鄱阳县水利局　　鄱阳县　333100）

厄坑垅水库大坝除险加固前后坝体渗流及稳定性分祈

吴恭王

（江西省鄱阳县水利局鄱阳县333100）

土石坝普遍存在坝体填筑不密实、清基不彻底等病险问题，导致大坝渗流和抗滑稳定不满足安全运行的要求。文章以江西省鄱阳县石坑垅水库为例，对除险加固前后大坝坝体渗流及坝坡稳定性进行计算和对比分析，为水库的施工和运营管理提供指导，为今后同类水库的除险加固提供借鉴。

均质土坝除险加固渗流抗滑稳定性分析

引言

我国自20世纪50年代以来，修建了超过8万座各型水库［1、2］。其中大部分水库修建于20世纪50～70年代末这一期间，由于当时建设条件、施工技术和管理水平有限，运行至今有接近4万座水库出现了不同程度的病险隐患，影响到水库各项功能的正常发挥，也对下游人民群众的生命和财产安全构成了严重威胁［3］。为此，我国自2001年开始，根据水库的病险状况和危害程度，陆续开展了除险加固工作［4］。我国水库大坝大部分为土石坝［5］，普遍存在坝体填筑不密实、清基不彻底、未采取防渗措施或处理不彻底等问题［6］，导致水库防洪标准不足、渗流安全不够和结构强度及抗滑稳定不满足等病害。下面以江西省鄱阳县石坑垅水库为例，对除险加固前后大坝坝体渗流及稳定性进行计算分析，为水库的施工和运营管理提供指导，为今后同类水库的除险加固提供借鉴。

1 工程概况

石坑垅水库位于鄱阳县东北部金盘岭镇，鄱阳湖水系潼津河石坑垅水上。大坝座落在金盘岭镇汪桥村，距镇政府所在地约8km，离鄱阳县城约60 km，坝址以上控制流域面积4.72km2，坝址以上主河道长度3.59km，主河道平均坡降1.35%，多年平均降雨为1588.6mm。水库正常蓄水位为48.20m，相应库容69.65×104m3，设计洪水位为50.24m，相应库容为105.6万m3，校核洪水位为50.79m，水库总库容为118.0万m3。水库大坝为均质土坝，最大坝高14.80m，坝顶高程51.81m～52.24m，坝顶宽度（1.09～2.86）m，坝顶长度76.90m，上游坡采用干砌块石护坡，下游坝脚为干砌块石挡土墙。水库实际灌溉面积100hm2，是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖等综合利用的小（Ⅰ）型水库工程。

2 大坝渗流计算分析

由于水库大坝无渗流观测设施，现有资料不足以评估大坝的安全性，为了准确评价大坝在各种运行工况下的安全性，给水库的除险加固提供科学依据，现根据地质勘探资料和土工测试资料，对大坝各种设计工况通过计算分析来了解大坝的渗透性。

2.1计算断面选取和渗透指标

根据大坝原始地形及现状实际运行情况，结合本次地质钻探工作，便于对加固前后渗流情况对比，加固后设计复核计算断面与现状复核计算均选取大坝桩号0+026.5断面。大坝加固后，计算断面渗透分区与现状断面主要不同之处在于增加了坝中常态混凝土心墙防渗系统和加高加固了大坝坝体。渗透稳定分析时保留的原有各土层渗透试验指标取值同现状计算分析时一致，渗透系数取用地质参数建议值。对于常态混凝土防渗墙渗透系数指标取用设计值为1×10-7cm/s，允许抗渗比降按经验取60。大坝计算断面渗透分区的渗透指标见表1。

表1　加固前后大坝典型断面各分区渗透指标表

2.2计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001的规定，土坝的渗流计算应考虑水库运行中出现的不利情况，石坑垅水库正常蓄水位48.20m，设计洪水位为50.24m，校核洪水位为50.79m；因加固前大坝坝顶高程最低为51.81m，小于校核洪水位50.79m，故本次稳定渗流计算中考虑下列水位组合情况：工况1：上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；工况2：上游设计洪水位与下游相应的水位；工况3：上游校核洪水位与下游相应的水位；工况4：库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

2.3计算结果

大坝加固前后渗流复核计算采用理正岩土渗流分析计算软件（5.2版），该软件基于二维稳定-非稳定渗流理论，用有限元法求解渗流水头并计算渗漏流量。各透水性土层按多孔介质，渗透系数按各向异性考虑。按不同工况组合进行计算，可得到各工况下的渗流等势线和大坝的浸润线位置图以及单宽渗流量，再根据等势线和浸润线位置推求坝体及坝基的出逸坡降。大坝加固前典型断面渗流复核计算结果见图1和表2，大坝加固后典型断面渗流复核计算结果见图2和表3。

图1　大坝典型断面加固前稳定渗流流网

2.4结果分析

由图1和表2可以看出：加固前该断面附近坝段坝身防渗性能差，在各种工况浸润线穿过坝体时没有明显跌落，整条浸润线相对较平缓，且在下游坡逸出点较高，大部分位势都集中在下游坝体，造成下游坝体承受较大的水头压力。经分析，出现上述渗流性态的原因，主要与该断面土层渗透指标及坝体厚实度密切相关，大坝施工时采用人工填筑，无机械碾压，坝体防渗土渗透系数大值平均值为3.14×10-4cm/s，算术平均值为1.40×10-4cm/s，大于规范均质坝防渗土的要求1.0×10-4cm/s，且下游未设排水体，故造成浸润线相对较平缓；加之坝顶狭窄，上下游坝坡较陡，坝体不够厚实，造成浸润线在下游坝坡上出逸点位置较高，且大部分位势集中在坝体的后半部分，存在渗流安全隐患。

表2　大坝典型断面加固前渗流复核计算成果

图2　大坝典型断面加固后稳定渗流流网

表3　大坝加固后典型断面渗流复核计算成果

由图2和表3可以看出：大坝加固后的渗流流网揭示大坝高水位渗流性态符合心墙防渗土石坝渗流规律，浸润线在心墙前后急剧跌落，心墙削减总水头50%以上，常态混凝土心墙后下游坝体浸润线较加固前大大降低。从表3可以看出，常态混凝土心墙承受最大渗透比降分别为：正常蓄水位时10.34，设计洪水位时13.45，校核洪水位时14.15，均小于混凝土心墙允许抗渗比降经验值［J］=60，满足规范要求。浸润线在下游贴坡排水体中出逸，而且各工况大坝计算单宽渗漏量均较加固前有所减小，说明大坝防渗加固大大改善了大坝渗流状况。

3 大坝坝坡稳定分析

3.1计算断面选取和坝体材料指标

根据大坝原始地形及现状实际运行情况，为与渗流稳定计算断面对应，本次大坝坝坡稳定分析仍选择0+026.5该断面作为典型计算断面，计算断面坝坡抗滑稳定安全系数。本次大坝坝坡稳定计算采用《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）推荐的计其条块间作用力的简化毕肖普法，稳定渗流期采用有效应力法对下游坝坡进行稳定计算；水位降落时分别采用总应力法对上游坝坡进行稳定计算。本次计算中的有效应力法为简化法（即容重代替法），即在坝坡抗滑稳定计算时令孔隙水压力为零而将孔隙水压力包含在土体重量的计算之中。本次分析中使用的有关计算参数取值以本次室内土工试验统计成果为主，无试验资料的参考类比同类工程取用地质参数建议经验值。大坝加固前、后各筑坝土料的物理力学指标分别见表4和表5。

3.2计算工况

计算工况分正常运用和非常运用两种情况，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，结合石坑垅水库现状坝顶高程小于校核洪水位的实际情况，现状坝坡抗滑稳定复核只考虑正常运用工况，加固后坝坡抗滑稳定复核考虑正常运用和非常运用两种情况。

表4　大坝加固前抗滑稳定分析各分区材料物理力学指标采用值

表5　大坝加固后抗滑稳定分析各分区材料物理力学指标采用值

3.2.1正常运用工况

工况1：水库水位为正常蓄水位48.20m，相应下游水位取下游地面高程或最低水面高程，大坝形成稳定渗流时的下游坝坡；工况2：水库水位为设计洪水位50.24m，相应下游水位取下游地面高程或相应水面高程，大坝形成稳定渗流时的下游坝坡；工况3：水库水位由正常蓄水位48.20m降至死水位41.42m，形成非稳定渗流时的大坝上游坝坡；工况4：自设计洪水位50.24m降落至死水位41.42m，形成非稳定渗流时的大坝上游坝坡。

3.2.2非常运用工况

工况5：水库水位为校核洪水位50.79m，相应下游水位取下游地面高程或相应水面高程，大坝形成稳定渗流时的下游坝坡；工况6：水库水位由校核洪水位50.79m降至死水位41.42m，形成非稳定渗流时的大坝上游坝坡。

3.3计算结果及分析

本工程坝坡抗滑稳定计算分析采用北京理正软件《理正边坡稳定验算系统》（5.2版）由微机进行计算。该软件采用有效应力法和总应力法得到简化毕肖普法的计算结果，符合《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）的要求。大坝建筑物级别为4级建筑物，根据碾压土石坝规范其安全评价标准正常运用条件下坝坡抗滑稳定安全系数应不小于1.25；非常运用条件下坝坡抗滑稳定安全系数应不小于1.15。大坝典型断面加固前、后边坡稳定计算结果见表6。

表6　大坝坝坡稳定计算成果

从表6加固前坝坡抗滑稳定计算成果来看，大坝所选择的典型计算断面，在正常蓄水位和设计洪水位（正常工况）工况下形成稳定渗流的下游坡整体抗滑稳定均不满足规范要求；由正常蓄水位和设计洪水位（正常工况）工况降落至死水位工况下形成非稳定渗流的上游坝坡整体抗滑稳定能满足规范要求。由加固前渗流稳定分析可知，坝体、坝基土料防渗性能较差，浸润线穿过坝体时没有明显跌落，整条浸润线较为平缓，且在下游坝坡的出逸点位置较高，加之坝体施工时填筑质量较差，其抗剪强度指标偏低，从而影响下游坝坡的整体抗滑稳定。从表6加固后坝坡抗滑稳定计算成果来看，加固后大坝坝坡抗滑稳定安全系数在各种计算工况下均满足规范要求，故加固后大坝的坝坡抗滑稳定满足规范要求。

4 结　论

通过对除险加固前后大坝典型断面的渗流和坝坡稳定性计算和对比分析，得出如下结论：加固前典型断面附近坝段坝身防渗性能差，在各种工况浸润线穿过坝体时没有明显跌落，整条浸润线相对较平缓，且在下游坡逸出点较高，大部分位势都集中在下游坝体，造成下游坝体承受较大的水头压力，存在渗流安全隐患；加固后浸润线在心墙前后急剧跌落，心墙后下游坝体浸润线较加固前大大降低，浸润线在下游贴坡排水体中出逸，而且各工况大坝计算单宽渗漏量均较加固前有所减小，说明大坝防渗加固大大改善了大坝渗流状况；加固前坝坡典型断面在正常蓄水位和设计洪水位工况时，下游坡整体抗滑稳定均不满足规范要求，上游坝坡整体抗滑稳定能满足规范要求；加固后坝坡抗滑稳定安全系数在各种计算工况下均满足规范要求。

［1］钮新强.水库病害特点及除险加固技术［J］.岩土工程学报，2010，32（1）：153-157.

［2］杨启贵，高大水.我国病险水库加固技术现状及展望［J］.人民长江，2011，42（12）：6-11.

［3］庄稼.小型水库抗洪能力复核及处理方案分析［J］.湖南水利水电，2009，（3）：55-57+66.

［4］盛金保，沈登乐，傅忠友.我国病险水库分类和除险技术［J］.水利水运工程学报，2009，（4）：116-121.

［5］王祖强，张贵金，王明，等.用FLAC3D模拟流固耦合评价病险土坝防渗加固效果［J］.湖南水利水电，2009，（2）：41-43.

［6］戚印鑫.克克其汗水库除险加固工程大坝渗流和结构安全分析［J］.水利与建筑工程学报，2013，11（6）：199-202.

吴恭王（1967-），男，江西鄱阳人，大学本科，工程师，研究方向：水利水电工程规划设计、工程管理。

（2016-07-23）