龙湾水库土坝渗流及稳定性分析

(北票市龙潭水库管理处，辽宁 北票　122124)

1　概　述

土石坝是运用最广泛的一种坝型，具有造价低、结构简单、适应能力强、抗震性能好、施工简便等特点。我国的土石坝多修建于上世纪五六十年代，很多未经专门勘察和设计，加之多采用人挑肩扛、人工碾压等施工方式，大坝填筑质量往往不能满足要求，经过几十年的运行，还存在无人管理或管理不当等问题，造成很多水库成为病险水库。根据对国内外土石坝失事案例的统计，约45%左右的土石坝失事是由渗流破坏造成的[1-5]。因此，在土石坝设计和运行管理过程中，如何进行渗流计算及采取何种防渗措施至关重要。本文以辽宁省黑山县龙湾水库为例，采用GEO-SLOPE软件中的SLOPE/W模块，对大坝稳定和非稳定渗流场及正常运行期、水位骤降期的大坝稳定性，进行了数值模拟分析，其结果为该水库安全运行提供了可靠依据，也为类似土石坝渗流和稳定计算提供了有益参考。

2　水库概况及数值模型

2.1　水库概况

龙湾水库位于黑山县龙湾屯，属饶阳河水系东沙河西支流，大坝以上河段长约44km，流域面积约320km2。水库由1座主坝和4座副坝组成，均为均质土坝，主坝全长724m，坝高18.60m，防浪墙顶高程58.60m；1副坝长632m，2副坝长807m，3副坝长1340m，4副坝长466m，副坝高6.50～10.60m；该水库是一座以防洪灌溉为主、兼顾养鱼等功能的中型水库。

2.2　数值模型

2.2.1计算模型

龙湾水库坝体均为均质土坝，此次选取坝高较高的主坝中的0+550典型断面(断面坝高 16.8m，坝顶宽6m，上游坡坡比为 1∶3，下游坡坡比为 1∶2.5)进行渗流和稳定性研究，因主坝坝基为弱透水的风化岩，故此次模拟时不考虑坝基的渗透和稳定情况，因此，以迎水坡坡脚作为坐标原点，断面向下游方向为X轴正向，断面向坝顶的铅直方向为Z轴正向，建立了0+550典型断面的计算模型，并采用四边形单元进行了网格的划分(见图1)。上游水头为第一类边界，地基为第二类边界，浸润线为自由表面边界，逸出点结合排水形式按自由边界处理。

2.2.2计算参数及工况

根据坝体土试验数据，用于数值计算的莫尔-库仑模型的相关参数见表1。

表1　坝体土计算参数

根据水库运行情况的分析结果，此次模拟共选取两种不同的工况，分别进行数值计算。工况一：正常运行期上游水位为13.50m；工况二：非稳定渗流场时，上游水位自初始时的 13.50m骤降到3.50m，水位下降速度分别为1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d。

3　渗流模拟结果及分析

3.1　正常运行时

正常运行时，通过数值模拟计算主坝渗流场流线及浸润线、压力梯度及渗流量(见图2)。

图2　正常运行时大坝渗流计算结果

由图2可知，正常运行时大坝渗流流场和浸润线分布较为均匀，渗流符合一般均质土坝的渗流流场分布规律，未见渗流异常，坝体内的最大水平渗透坡降为0.45，小于坝体允许水平渗透坡降，产生渗透破坏的可能性不大，浸润线在坝体坡脚排水体内出逸，坝坡出逸渗透坡降大于允许渗透坡降，易产生局部渗透破坏。大坝总体渗漏量偏大，稳定渗流时该断面的渗流量为 8.99×10-2m3/d，对大坝渗流稳定性有一定的影响，会造成坝体土流失，若形成渗漏通道将危及大坝安全。

3.2　水位骤降时

通过数值模拟计算，水位骤降时主坝上游水位自初始时的 13.50m骤降到3.50m，水位下降速度分别为1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d，历时分别为0d、1d、5d、10d、30d、50d、100d、300d和600d，计算结果见图3。

图3　水位骤降时大坝自由面变化情况

由图3可知，水位骤降时，当库水位下降速度为1.00m/d时，坝体内水的自由面在历时较短时变化剧烈，与上游坝坡近平行，后再向坝内偏移，并逐渐稳定，坝体内的水来不及排泄，会出现“倒流”现象，不利于上游坝坡稳定；当库水位下降速度为0.10m/d时，坝体内水的自由面在历时较短时变化平缓，后逐渐趋于稳定，“倒流”现象不明显。无论何种下降速度，在历时较长时，自由面变化基本一致。

4　坝体稳定模拟结果及分析

4.1　正常运行时

正常运行时，通过数值模拟计算主坝下游坡和上游坡稳定情况(见图4)。

图4　正常运行时大坝最危险滑动面及其圆心位置

由图4可知，正常运行时大坝下游坡的最危险滑动面及圆心位于坡脚以上，下游坡的稳定安全系数为1.48，上游坡的最危险滑动面及圆心也位于坡脚以上，上游坡的稳定安全系数为1.53，均大于坝体允许稳定安全系数，因此，上、下游坝坡发生滑动破坏的可能性不大，大坝是安全的。

4.2　水位骤降时

通过数值模拟计算，水位骤降时主坝上游水位自初始时的 13.50m骤降到3.50m，水位下降速度分别为1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d，历时分别为1d、5d、50d和600d，由于计算图件较多，此次仅将下降速度为1.00m/d时的计算结果作图(见图5)，将全部计算结果列表(见表2)。

表2　不同水位下降速度和历时的大坝上游坡安全系数

图5　水位下降时大坝上游坡最危险滑动面及其圆心位置

由图5和表2可知，随着库水位下降，上游坡安全系数是逐渐下降的。历时为1d、5d时，水位下降速度越小，安全系数越大；历时为600d时，水位下降速度越大，安全系数越小。水位下降速度为1.00m/d、0.50m/d时，历时5d时的安全系数最小；水位下降速度为0.10m/d时，历时50d时的安全系数最小；可见随着下降速度的变小，上游坡的安全系数在一定历时范围内，随时间有后移的趋势，但历时600d时安全系数变大，下降速度大时为同一下降速度时的最大值。不同水位下降速度，水位刚开始下降时，滑弧的形状、位置和深度变化不大，下降速度较大时，易发生深层滑动。

5　结　论

采用GEO-SLOPE软件中SLOPE/W模块，对大坝稳定和非稳定渗流场及正常运行期、水位骤降期的大坝稳定性进行了数值模拟分析，结果表明：正常运行时坝体内的最大水平渗透坡降为0.45，小于坝体允许水平渗透坡降，产生渗透破坏的可能性不大，浸润线在坝体坡脚排水体内出逸，坝坡出逸渗透坡降大于允许渗透坡降，断面的渗流量为 8.99×10-2m3/d；当库水位下降速度为1.00m/d时，自由面在历时较短时变化剧烈，与上游坝坡近平行，坝体内的水来不及排泄，会出现“倒流”现象，当库水位下降速度为0.10m/d时，自由面在历时较短时变化平缓，后逐渐趋于稳定，在历时较长时，自由面变化基本一致；正常运行时下游坡的稳定安全系数为1.48，上游坡的稳定安全系数为1.53；随着库水位下降，上游坡安全系数是逐渐下降的，随着下降速度的变小，上游坡的安全系数在一定历时范围内，随时间有后移的趋势，但历时600d时安全系数变大，下降速度大时为同一下降速度时的最大值，不同水位下降速度，水位刚开始下降时，滑弧的形状、位置和深度变化不大，下降速度较大时，易发生深层滑动。

[1]高超.任庄水库大坝渗流及坝坡稳定计算分析[J].中国水能及电气化，2016(9):67-70.

[2]贾慧鹏.张峰水库大坝渗透系数反演计算[J].中国水能及电气化，2016(2):62-66.

[3]刘娟奇,王志强,梁收运.库水位下降对新集水库均质土坝渗流及稳定性影响分析[J].水利与建筑工程学报,2014,12(6):38-43.

[4]周艳,王朝江,王立群,等.喀麦隆曼维莱水电站拦河坝渗流稳定分析计算[J].水利水电工程设计，2017,36(3):38-40.

[5]赵明辉,彭清娥,汤雷.某土石坝渗流及稳定分析研究[J].西北水电,2017(1):30-34.