大坝渗流稳定及坝坡稳定计算分析

梁峰

（水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 概况

楼庄子水库是头屯河上游山区控制性骨干工程，工程的主要任务是灌溉、防洪和城市生活及工业供水，是一座综合利用的水库枢纽工程。水库总库容为7 374万m3，正常蓄水位为1 394.50 m，死水位1 353.30 m。工程由大坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、引水洞等组成。大坝为粘土心墙坝，最大坝高82.6 m。

根据《防洪标准》（GB50201-2014）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）的规定，确定楼庄子水库工程等别为Ⅲ等工程，工程规模为中型。各主要建筑物级别如下：大坝为2级建筑物；溢洪洞、导流兼泄洪冲沙洞和引水洞为3级建筑物；次要建筑物及临时建筑物为4级建筑物。

楼庄子水库工程大坝洪水重现期50～100年，非常运用洪水重现期1 000～2000年。设计洪水标准为100年一遇，洪峰流量405 m3/s；校核洪水标准为2000年一遇，洪峰流量750 m3/s。坝址区地震基本烈度为Ⅷ度，大坝抗震设防类别为乙类。

为确定大坝坝体浸润线及其下游逸出点的位置，通过绘制坝体及地基内的等势线分布图，分析坝体渗流稳定[1]；得出坝体与地基渗流量，以估计水库渗漏损失；通过坝坡出逸段的出逸比降，判断该处的渗透稳定性。并通过极限平衡分析方法[2]，分析大坝上下游坝坡在不同运行工况下抗滑稳定安全系数，对坝坡稳定进行论证[3]。

2 工程布置

楼庄子水库工程由粘土心墙坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、引水洞等组成，枢纽平面布置图见图1。枢纽工程挡水建筑物为粘土心墙砂砾石坝，坝轴线按直线布置；粘土心墙坝最大坝高82.6 m，坝顶长度570.31 m。坝体上游坝坡为1∶2.5，上游坝坡采用现浇混凝土板护坡，下游坝坡采用混凝土网格梁填六棱块，下游坡脚处设置排水棱体，顶宽2.0 m；坝壳砂砾料与排水棱体之间设两层反滤，反滤层厚0.5 m。

图1 坝体横断面图

坝体结构断面以粘土心墙防渗体为中心，心墙防渗体上、下游两侧由内向外分别为：粘土心墙防渗体、上下游反滤料、坝壳砂砾料区、下游排水料区组成。

粘土心墙防渗体采用正心墙，心墙防渗体轴线位于坝轴线上游，粘土心墙最大底宽50.56 m，属中厚心墙；心墙反滤料区为粘土心墙，防渗体上、下游反滤层填筑至心墙顶；坝壳砂砾料区采用坝址区储量丰富的砂砾料；考虑坝壳料的不均匀性，为了加强下游坝体的排水，故设置排水料区。

3 坝体计算

3.1 坝体渗流稳定计算

分别对设计工况及校核工况下挡水建筑物的渗流稳定进行分析[4-5]，采用河海大学编制的《水工结构分析系统》（AutoBANK6.10）计算；根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），计算坝体标准剖面进行下列水位组合情况：

（1）正常蓄水位（1 394.50 m）与下游相应最低水位（1 322.20 m）；

（2）设计洪水位（1 397.43 m）与下游相应最低水位（1 322.82 m）；

（3）校核洪水位（1 397.63 m）与下游相应最低水位（1 323.76 m）。

根据试验坝壳料、心墙料、基岩渗透系数取为：坝壳料Ks=3.2×10-2cm/s；心墙Ks=2.3×10-6cm/s；基岩Ks=1×10-4cm/s；帷幕灌浆Ks=1×10-7cm/s；混凝土防渗墙Ks=1×10-7cm/s；砂砾石料的允许水力比降取0.25 。

经计算得出楼庄子水库挡水建筑物不同工况下，稳定渗流期成果见表1。

表1 稳定渗流期计算结果表

从表1可以看出：心墙逸出点最大出逸比降1.42，发生在校核工况。土料在反滤料的保护情况下，允许渗透比降将会大大提高；由此说明，楼庄子水库大坝心墙不会发生渗透破坏。经提取得出校核工况下坝体渗流等势线及浸润线图见图2，由表1中数据分析看出，大坝下游坝坡的出逸比降均小于允许渗透比降，说明粘土心墙坝坝体不会发生渗透破坏。

图2 校核洪水位坝体渗流等势线及侵润线图

3.2 坝坡稳定计算分析

采用河海大学编制的《土质边坡稳定分析程序》（HH-slope）计算[6-7]，计算方法采用简化毕肖普法，地震情况采用拟静力法；计算原理为极限平衡分析方法。通过分析以往工程经验分析，典型计算工况如下：

（1）正常蓄水位稳定渗流期工况；

（2）设计洪水位稳定渗流期工况；

（3）施工期工况；

（4）库水位骤降工况（由正常蓄水位降至死水位）；

（5）正常蓄水位稳定渗流期+地震工况。

坝壳砂砾料及粘土心墙料，分别采用砂砾石料场及粘土料场采样实验后的物理特性参数作为计算基础，对不同工况下，楼庄子水库粘土心墙坝上下游坝坡抗滑稳定计算，得出不同工况下，上下游坝坡抗滑稳定安全系数见表2。

表2 坝坡抗滑稳定计算最小安全系数表

从表2中数据对比可看出，不同计算工况下，粘土心墙坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数最小值均大于规范允许值，由此说明，不同运行工况下，楼庄子水库粘土心墙坝上、下游坝坡均是稳定的。通过分析最不利工况，正常蓄水位稳定渗流期+地震工况下大坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数图见图3。

图3 正常蓄水位稳定渗流期+地震工况上下游坝坡稳定计算图

4 结语

本文以楼庄子水库粘土心墙坝为研究对象，对大坝的组成及运行安全进行计算分析论证，对坝体在不同工况下，渗流稳定进行了计算分析；并对工程完成后，大坝在不同运行工况下，上下游坝坡稳定进行了分析计算，通过分析得出结论：

经不同工况下渗流稳定分析对比，得出坝体心墙及大坝坝体不会发生渗透破坏；由坝体上下游坝坡抗滑稳定分析得出，粘土心墙坝抗滑稳定最不利工况为正常蓄水位+地震工况，此工况下大坝坝体上下游坝坡均能满足抗滑稳定要求。本文所得结论为大坝稳定分析提供理论依据。