关于水库坝体渗流与坝坡稳定的研究

陈丹蕾 魏海 金格飞

摘要：在我国水利事业的持续发展下，先后在众多水利工程中修建土石坝，而为了能够有效掌握土石坝的具体安全性能、客观评估其质量水平，需要对土石坝进行坝体渗流以及坝坡稳定分析。从而及时了解其中可能存在的安全隐患，采取相应措施积极处理，以避免影响大坝的安全运行。在这一背景下，本文将以某水库工程项目为例，着重围绕水库坝体渗流以及坝坡稳定性进行简要分析研究。

Abstract： Under the continuous development of China's water conservancy industry， earth-rock dams have been built in many water conservancy projects. In order to effectively grasp the specific safety performance of earth-rock dams and objectively evaluate their quality levels， it is necessary to analyze the dam body seepage and dam slope stability of earth-rock dams， then timely understand the possible safety hazards and take corresponding measures to actively deal with it and ensure the safe operation of the dam. In this context， this paper takes a reservoir project as an example and studies the seepage of the reservoir dam and the stability of the dam slope.

关键词：水库；坝体渗流；坝坡稳定

Key words： reservoir；dam seepage；dam slope stability

中图分类号：TV541 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0253-02

1 水库坝体工程概况

本研究通过选择以某水库工程项目为例，该水库控制流域面积超过500km2，总库容将近1.4亿m3，不仅具有防洪防涝以及提供充足水源的重要功能，同时也具有养鱼等其他效益。水库正常蓄水位在140m，相应库容超过4000万m3，该水库工程的主要构成包括主、副坝、溢洪道以及输水洞等工程。其中水库坝体主要采用的是粘土心墙沙壳坝，坝高最大值超过23m，坝顶为长度大约在700m的混凝土路面，坝顶的宽度以及高程分别为6m和148m，粘土心墙顶高程与宽度则分别为146m以及4m。上、下游坝坡虽然坝坡坡比不尽相同，但均在137m高程位置处分别设置了长度为2m以及1.5m的马道，坡面分别采用厚度为0.85m以及0.35m的大块石护坡和碎石护坡[1]。而在坝壳的上部和下部则分别使用了砂砾石填料以及粉质粘土。

2 水库坝体渗流稳定分析

2.1 计算工况与计算参数

通过查阅有关该水库的各项资料，可知其校核洪水位下，库水位为146.38m，设计洪水位工况下，库水位为143.88m，而在死水位工况下库水位则为133m。各水位对应的下游水深一律为零，此次在对水库坝体渗流稳定进行分析计算的过程中，不考虑下游有水情况。在结合相关水库资料后，可以了解到其上下游壤土的渗透系数分别为1×10-5以及2×10-4cm/s，上下游坝壳砂砾料的渗透系数则均为3×10-3cm/s，粘土心墙与砂砾石覆盖层的渗透系数分别为5.9×10-6以及5×10-2cm/s；混凝土结构和新鲜基岩的渗透结构大致相等，另外该水库坝体中斜卧式排水体同坝基防渗帷幕的渗透系数则分别为0.1以及1×10-6cm/s[2]。为方便后续的计算分析，本文所指的坝体材料渗透系数统一为饱和渗透系数，并且均为恒定值。如果土体当中同时存在饱和与非饱和区域，则需要在正负压力值范围一定的情况下，合理选定相应的渗透系数用以对各个饱和度的变化情况进行真实反映。

2.2 计算方法与计算结果

根据《水工设计手册》可知，在计算无排水情况时需要使用如下公式确定浸润线：

在这一公式当中，上下游水位差用H进行表示，m1代表着上游坝坡坡度系数，上游水位入渗点距下游坝坡坡脚点用L表示。在确定渗流量时则需要使用公式：

在该公式当中，坝体和坝基的渗透系数用K进行表示，并且只有当时才能成立，h则代表着下游边坡上的出逸高度，S代表着渗流面积。通过计算可知校核洪水位与设计洪水位工况下，其渗流量分别为0.855以及0.687m3/d，正常蓄水位以及死水位工况下的渗流量则分别为0.533和0.257m3/d[3]。

在对相关计算结果进行统计分析下，可知上游壤土当中存在部分坝体水头消减的情况，相比于库水位，心墙前部出现小幅跌落的情况，因此面上上游壤土渗透系数相对较低，与心墙粘土的距离较近。此外，心墙内部浸润线出现了一定的跌落情况，但由于心墙粘土可以实现对上游壤土内细颗粒进行截留，因此并不会对整体大坝防渗体系的安全性产生破坏性影响。断面下游砂砾料中浸润线基本水平，這也意味着分布在坝基位置处的砂砾石覆盖层在一定程度上可以有效帮助水库坝体完成排渗，进而使得坝体下游侧浸润线明显降低。从渗流量角度来看，当水位不断降低时，断面计算的单宽渗流量也会逐渐减小，而通过将帷幕灌浆设置在坝基位置处，则在灌浆之后能够有效减小单宽渗流量，从而提高水库坝基的稳定性。此外，根据获得的相关数据显示，在高水位工况下爱，心墙下部混凝土齿墙位置处的水平和垂直渗透坡降能分别大约为10和2，但通过参考国家相关设计规范要求可知，一般粘土允许渗透坡降在5到10的范围内。因而证明该水库大坝工程在高水位工况时，心墙下部出现渗透破坏的可能性极大，无法有效与相关规范要求相吻合。而其他位置的渗透坡能比较小，尤其是分布在下游坝基位置处的砂砾石覆盖层可以有效起到排水作用，从而可以大大减小逸出处渗透坡降，确保与规范要求相吻合。

3 水库坝坡稳定分析

3.1 计算工况与计算参数

在分析水库坝坡稳定性时，需要重点考虑包括设计洪水位、正常蓄水位以及死水位在内的正常运用条件以及两种非常运用条件，分别为非常运用条件I以及非常运用条件II。其中前者中的工况不仅包括校核洪水为及其降至設计水位，同时还包括正常水位分别降至136m以及死水位，设计水位分别降至正常水位以及136m。在非常运用条件II中则需要对地震情况下设计水位、死水位以及正常蓄水位进行充分考虑。该水库坝体工程项目的设计地震烈度为VII度，通过采用专门的仿真软件在土体当中利用惯性力的形式施加一定地震动效应，从而用于对地震作用下坝坡稳定性进行分析。将VII度地震水平和竖直拟静力加速度分别设定为0.1g以及0.067g，边坡稳定程度在很大程度上会受到水平惯性地震力的影响。即便地震系数相对较小，同样也可以在一定程度上起到降低边坡安全系数的效果。

通过结合该项目工程地质勘查报告，可以了解到大坝上下游壤土的土重度、凝聚力分别为20与20.48kN/m3，

13.13与13.88kPa，二者的摩擦角则均为20°。粘土心墙的土重度、凝聚力和摩擦角则分别为19.98kN/m3、25kPa和22°。而上下游坝壳砂砾料的凝聚力均为0，其土重度统一为20.99kN/m3，摩擦角均为38.5°。砂砾石覆盖层的凝聚力和摩擦角与上下游坝壳砂砾料完全一致，但其土重度则仅为19.57kN/m3，混凝土结构的土重度、凝聚力以及摩擦角则分别为24kN/m3、100kPa和40°。

3.2 安全系数标准

通过结合《碾压式土石坝设计规范》可知在工程等级为1时，正常运用条件以及两种非常运用条件下，规定坝坡最小抗滑稳定系数应当分别为1.5、1.3以及1.2，工程等级为2时，三种运用条件下坝坡最小抗滑稳定系数需分别达到1.35、1.25以及1.15。工程等级为3时，正常运用条件、非常运用条件I以及非常运用条件II下，坝坡抗滑稳定最小安全系数应当分别为1.3、1.2和1.15。在工程等级为4和5时，其不同运行条件下对应的坝坡最小抗滑稳定系数应当分别为1.25、1.15以及1.1。由于该水库大坝工程项目中，大坝为2级建筑物，因此其需要参考工程等级为2时规定的安全系数标准。

3.3 计算结果分析

以该水库大坝当中的某一断面坝坡为例进行抗滑稳定分析计算，得知在正常运用条件下，也就是设计洪水位为143.88m时，上下游坝坡的计算安全系数分别为2.363与1.713，正常蓄水位和死水位分别为140m与133m时，上游坝坡的计算安全系数分别为1.924与1.903，均超过规定安全系数1.35，因而具有较高的坝坡抗滑稳定性。在遇到地震情况时，对应着设计洪水位的上下游坝坡计算安全系数分别为1.677与1.356，与正常蓄水位和死水位相对应的上游坝坡计算安全系数则分别为1.514与1.314。而在该运用条件下，要求安全系数为1.15，因此同样表明此时该断面坝坡具有良好的抗滑稳定性。在另一种非常运用条件下，校核洪水位为146.38m时，计算得到的下游坝坡安全系数为1.728[4]。当设计水位与正常蓄水位分别降至136m时，与之相对应的上游坝坡计算安全系数则分别为1.223与1.519；当设计水位降至正常水位，正常蓄水位降至死水位时，对应的上游坝坡计算安全系数分别为1.571和1.273，在校核水位降至设计水位时，上游坝坡的计算安全系数则为1.836。由于在这一运用条件下，规定的安全系数为1.25，因此总体来看该断面坝坡的稳定性与规定标准要求基本相符。

但值得注意的是，当设计洪水位降至溢洪道堰顶高程时，其稳定安全系数小于规定安全系数要求，因此需要工作人员及时参考工程实际情况加固上游坝坡，以有效保障坝体的安全、稳定运行。此外，在对水库坝坡稳定性进行分析的过程中，通过整合相关调查数据可知高水位工况下，心墙下部位置处的水平渗透坡降比较高，出现渗透破坏性影响的可能性较大，因此同样需要相关工作人员及时做好防渗加固处理。

4 结束语

本文通过对某水库坝体渗流以及坝坡稳定性进行分析，通过根据得到的计算结果可知，分布在坝基位置处的砂砾石覆盖层能够在一定程度上起到排渗作用。而针对坝基未灌浆区域，则需要积极结合实际情况与工程条件对坝基渗流条件进行有效改善。而在高水位工况下，心墙下部水平渗透坡降超出规定标准要求，极有可能产生渗透破坏，因而建议相关工作人员及时进行防渗加固。在不同控制工况下计算得到的单宽渗流量最小值为0.257m3/天，最大值为0.855m3/天，虽然从整体上来看坝坡具有良好的抗滑稳定性。但当设计洪水位降至溢洪道堰顶高程时，其稳定安全系数并不符合规定安全系数要求，因而相关工作人员还应及时对上游坝坡进行加固处理，以避免影响后续水库大坝的正常运行。另外，由于受到篇幅限制以及笔者自身学识限制，在此次研究中只针对土石坝渗流工况，并未对坝体内部材料的均匀程度以及坝体护坡渗流等其他工况进行充分考虑，因此研究也具有一定的局限性，还需在日后进行进一步深入分析。

参考文献：

[1]伍韵莹.某病险水库土石坝加固后渗流及坝坡稳定分析[J].吉林水利，2018（06）：1-5.

[2]刘婵玉.库水位骤降期深圳水库坝坡稳定分析[J].陕西水利，2018（03）：174-177.

[3]唐超.路俄水库土石坝渗流与稳定分析[D].西北农林科技大学，2017.