水源工程土石坝坝体渗流及坝坡稳定性分析

宋强

摘  要：土石坝作为目前我国水利工程应用最为广泛的坝体，其大坝稳定性一直是最为关切的问题。渗流和滑坡作为影响土石坝稳定性的关键因素，在土石坝设计过程中必须重点关注。文章以诺木洪水庫混凝土面板坝为例，分别采用水力学法和折线法对坝体设计中的坝体渗流及坝坡稳定性进行计算分析，结果显示坝体设计完全满足规范要求，设计坝体稳定性较好。文章研究结果旨在为坝体设计及大坝稳定性控制提供一定的参考。

关键词：土石坝;稳定性;混凝土面板坝;渗流;坝坡

中图分类号：TV223.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0077-03

Abstract： Earth-rock dam is currently the most widely used dam in China's water conservancy projects， and its dam stability has always been the most concerned issue. Seepage and landslides are the key factors affecting the stability of earth-rock dams， and must be paid attention to in the design process of earth-rock dams. Taking the concrete slab of Nuomu floodplain as an exemplar， the hydraulics method and the fold line method are used to calculate and analyze the dam body seepage and dam slope stability in the dam design. The results show that the dam design fully meets the requirements of the specification and the dam is designed. Good body stability. The results of this paper are intended to provide a reference for dam design and dam stability control.

Keywords： earth-rock dam; stability; concrete faced rockfill dam; seepage; dam slope

1 概述

我国是世界上拥有水库大坝数量最多的国家，特别是近年来，中国水库大坝发展进入全新阶段，而新阶段面临的风险和挑战更为严峻[1]。土石坝是一种常见的坝型，因其施工简单、成本较低廉、对地质条件要求较低，已经成为中小水利工程应用最为广泛的坝型[2]。水利工程中大坝的稳定性与社会稳定、人民生命财产安全息息相关，随着水利工程修建速度的加快，大坝失稳事故屡次发生，对社会和人民生命财产安全造成了严重的威胁[2]。土石坝稳定性问题主要包括坝体渗流问题及坝坡的稳定性问题，其中渗流造成的坝体失稳事故占坝体失稳总事故的40%以上，已然成为坝体失稳的最主要因素，也是在评价坝体设计稳定是否的首选关键因素[1，2]。本文以诺木洪水库沪混凝土面板坝为例，对坝体设计的渗流及坝坡稳定性进行分析，以便确定坝体设计是否满足工程需求，坝体设计是否稳定。

2 诺木洪水库混凝土面板坝简介

诺木洪水库位于青海省海西州都兰县境内的诺木洪河上，该地区位于青海省柴达木盆地南部，诺木洪水库开发任务主要是向下游诺木洪农场灌区及宗加镇新增灌区提供灌溉供水，协调国民经济和生态用水的矛盾，支撑地区经济社会可持续快速发展。结合诺木洪灌溉区发展规划，确定诺木洪水库的开发任务是灌溉供水，总灌溉面积25.19万亩。坝址区为峡谷地形，呈“U”字型，为宽浅河谷，两岸岸坡顺直，天然坡度约30°-45°，坝址上游地区分布着广阔的沙地及戈壁，地势开阔、地形平缓，坝址区高程约3360m，坝址以上地区高程3500m-5200m。坝址比选采用相同的工程规模，即保证生态基流0.42m3/s，农业供水量7567万m3，供水保证率75%。根据坝基条件和筑坝材料情况分析，选择修建混凝土面板堆石坝，工程属于Ⅲ等工程，主要建筑物级别3级，设计最大坝高56.5m，死水位3393.00m，正常蓄水位3405.00m，总库容3105万m3。坝体上下游坡度均为1：1.4，坝顶宽度取8m，混凝土面板厚0.3m。

3 坝体渗流稳定性分析

混凝土面板坝属于土石坝的一种，土石坝渗流分析的主要内容包括：确定坝体的浸润线和下游溢出点的位置，确定大坝的渗流量，确定坝坡出逸段出逸坡降以及土层之间的渗透比降，以及确定水库的水位降落时自由水面位置。综合渗流分析内容，渗流计算应该包括各种情况下的水位组合情况，即上游正常蓄水位和下游相应的最低水位，上游设计水位和下游相应的水位，以及上游校核水位和下游的相应水位。土石坝渗流分析方法主要包括流网法、水力学法、实验法和流体力学法。水力学法计算简单，所确定的浸润线、平均流速、平均坡降、渗流量等，一般能满足工程设计要求的精度。本文采用水力学法进行坝体渗流分析。

3.1 计算原理

（1）计算单宽流量

通过面板和防渗墙的渗流量q1：

通过面板后渗流量q2：

式中：δ-面板平均厚度，δ=0.3m;

δ1-防渗墙厚度，δ1=1.0m;

m2-下游边坡，m2=1.4;

H1-上游水深;

H2-下游水深;

h-面板后渗流水深。

由水流连续条件q1=q2联立求解上两式可求得：

K、K0、KT-分别为坝身堆石、面板和防滲墙、地基的渗透系数，其值分别为：

（2）计算总渗流量

式中：q1、q2、…qn-断面1、2…n的单宽流量;

l1、l2、…ln-相邻两段面间的距离。

3.2 渗流计算

（1）正常蓄水位

（2）设计洪水位

（3）校核洪水位

三种特征水位上下游渗流计算数据及计算结果，见表1和表2，水库单宽流量和总渗流量较小，满足规范要求，故满足防渗要求。

3.3 渗流稳定验证

渗透水流流过面板后，其水头大部分已经被损耗，坝壳渗透坡降及渗透速度较小，发生渗透破坏的可能性不大。在坝体逸出点，渗透坡降较大，予以验算。

材料不均匀系数η，被用来判别非粘性土的渗透破坏形式。当η<10时容易发生流土; 当η>20时容易发生管涌，允许坡降J=0.1;当10<η<20时不定，允许坡降J=0.2。

渗流逸出点坡降计算结果在表1中，经计算，各种工况均满足要求，因此认为不会发生渗透破坏。

4 土石坝坝坡稳定性分析

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013），混凝土面板堆石坝的坝坡，参照已建工程选用，可不进行稳定分析，当地震设计烈度为8、9度的坝体，坝基有软弱夹层或坝基沙砾石中存在细砂层、粉砂层或粘性土夹层，应进行相应稳定分析[3]。本次设计中，坝址区地震烈度为8度，坝基沙砾石层较厚，故进行坝体稳定分析，且仅对主堆石区进行稳定分析。

混凝土面板堆石坝的稳定分析，通常只针对上下游边坡。由于面板堆石坝的坝体上游面铺设面板防渗，其后堆石体透水性大，因而堆石体内侵润线很低，不存在水的渗透压力和孔隙水压力等问题，这对下游坝坡稳定非常有利。混凝土面板堆石坝稳定分析通常可采用折线法，本次设计，针对上游面板与主堆石区接触面，进行稳定分析，方法采用折线法，见图1。假定任一滑动面OAB，A点在上游水位延长线上。以铅直线AC将滑动土体分为两块，AC上部块重量为W1，AC下部块重量为W2，假定条块间作用力为P1，其方向平行AB面，两块土体底面的抗剪强度分别为φ1、φ2。则ACFB土块的平衡式为：

坝坡的最危险滑动面的安全系数：对α1、α2和上游水位三个因素进行不同的组合方式，经多次计算，求出在某水位下的最小稳定安全系数。对于坝体自重，在浸润线以上的土体，按湿重度计算，浸润线以下的土体，按饱和重度计算。本设计中湿重度γ湿=19（N/m3），饱和重度γ饱=22.6（N/m3），φ1=φ2=φ=42°。稳定计算中需选取不利工况和不利部位进行稳定计算，本设计中，对上游坡分别计算以下几种工况下的安全系数：正常蓄水位情况（正常运用条件）、校核洪水位情况及校核洪水位降落至死水位以下的情况（非常运用条件Ⅰ）。通过计算，在不同工况下的最小安全系数分别为1.304、1.313和1.262，均满足《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）中对坝坡抗滑稳定最小安全系数3级工程规定[4]。

5 结束语

混凝土面板堆石坝抗震性能好，不会因为地震产生孔隙水压力;对地形和地质具有良好的适应能力，施工简便，受气候影响较小;坝坡稳定性好，坝体渗透性好，几乎不受渗透力影响。在坝体设计中进行渗流分析和坝体稳定性分析，对评估大坝渗流损失及发生失稳事故的概率提供了重要依据，必须采用正确的计算和评价方法，以便获取准确可靠的评价数据。

参考文献：

[1]陈丹蕾，魏海，金格飞.关于水库坝体渗流与坝坡稳定的研究[J].价值工程，2018（8）：253-254.

[2]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.

[3]中华人民共和国水利部.SL228-2013混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[4]中华人民共和国水利部.SL274-2001碾压土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2002.