克拉玛依绿化水库渗流及稳定计算分析

张 军

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

在西北新疆干旱地区，由于水资源缺乏，对于引水注入式水库，更注重水库大坝的渗流量。引水注入式水库的水源常通过长距离引水渠道、 管线等建筑物输送，水源变得更为珍贵，水价也变得更高，渗流量也成为建设单位关注点之一。

目前，土石坝渗流及坝坡稳定通常采用AutoBANK软件计算渗流及坝坡稳定。 朱全敏等［1］采用AutoBank 软件计算围堰的渗流及边坡稳定，获得良好的计算结果；吴湘利等［2］运用AutoBank 软件计算土石坝加固后的渗流及坝坡稳定，结果可行；林淏圣［3］提出AutoBank 软件计算边坡稳定应注意的问题，供边坡计算参考；杨学倩等［4］运用AutoBank 软件建立土石坝计算断面，获得良好计算结果；姚焕军等［5］采用AutoBank 软件对水库坝肩绕坝渗流进行计算，提出良好处理结果。 本文克拉玛依绿化水库工程采用AutoBANK软件计算大坝的渗流及坝坡稳定，为坝体断面设计提供依据，为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

克拉玛依市绿化水库工程承担克拉玛依市中心城区绿地系统灌溉供水调节任务。 水库总库容791.1万m3，坝型采用沥青心墙坝，最大坝高23.5m。为Ⅳ等工程，工程规模为小（1）型。大坝、节制进水闸及放水洞为4级建筑物； 绿化水库为引水注入式水库，水库周边无洪沟，不考虑洪水设防标准。 建筑物抗震烈度7°，动峰值加速度0.1g。

坝址地面高程350～375m。 表层为砂砾石覆盖层，厚度1.0～5.0m，下伏砂岩、泥岩。 强风化层厚1.0～5.0m，弱风化层厚2.0～13.0m，岩体透水率小于5 Lu，界限一般在5～15m。

大坝三面填筑，采用沥青心墙坝，坝顶高程363.40m。 坝长2806.44m。 坝顶宽度，6.0m。 上游坝坡1∶2.25，下游坝坡1∶2.0，沥青混凝土心墙坝主要由防渗心墙、心墙下游过渡料区、上、下游坝壳砂砾料区、下游排水料区及下游弃土盖重区组成。 坝壳砂砾料最大粒径60mm，小于5mm粒径含量60.08%，小于0.075mm颗粒含量10.75%，渗透系数4.9×10-3cm/s，摩擦角31°。

2 坝体渗流计算

本工程大坝采用河海大学编制的 《水工结构分析系统》（AutoBANK6.10）进行计算，确定黏土心墙坝体浸润线及其下游逸出点的位置，分析坝体渗流稳定； 确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗漏损失；确定坝坡出逸段的出逸比降，判断该处的渗透稳定性。

2.1 计算方法

大坝二维渗流计算如式（1）：

其中水头、流量、自由面边界条件计算如式（2）～式（4）：

稳定渗流有限元计算如式（5）：

式中 kx，ky分别为x，y方向的渗透系数；H为饱和—非饱和水流总水头；［K］渗透矩阵。

2.2 计算工况与参数

由于本工程为引水注入式水库，周边为无洪沟，且水库任务单一，根据规范SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》，计算工况为： 上游正常蓄水位361.0m，下游相应最低水位340.5m。

坝壳料、 心墙料、 基岩渗透系数采用本次试验值。 根据试验，渗透系数取：坝壳料 Ks=4.9×10-3cm/s；心墙Ks=1.0×10-8cm/s；过渡料Ks=1×10-3cm/s；帷幕灌浆Ks=1×10-7cm/s；基岩Ks=2.5×10-4cm/s；

2.3 坝体、坝基渗透变形类别

坝体填筑料为东湖东北部料场砂砾石。 按DL/T5395—2007《碾压式土石坝设计规范》附录C的方法判别填筑料的渗透变形形式。

据东湖料场砂砾石颗分资料，该料场砂砾石为连续继配土，区分粗粒和细粒粒径的界限粒径df=砂砾石料场的界限粒径0.7mm，相对应的Pc为35%，料场对应的为25.65，均大于Pc，所以东湖东北部料场砂砾石料渗透破坏形式主要为管涌型。 依据地质报告，砂砾石料临界坡降平均为0.05。 根据GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，允许水力以土的临界水力坡降除以1.5～2.0安全系数，本工程取2.0安全系数，因此料场砂砾石的允许水力比降可取0.1，本工程选取允许水力比降为0.1。

3 坝坡稳定计算

3.1 计算方法

坝坡稳定采用河海大学编制的 《土质边坡稳定分析程序》（HH-slope）进行计算，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。

采用有效应力法时，坝坡稳定安全系数如式（6）：

采用总应力法时，坝坡稳定安全系数如式（7）：

计算公式（6）和（7）中各参数意义见SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》。

3.2 计算工况与参数

由于本工程为引水注入式水库，周边为无洪沟，且水库任务单一，根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》，计算工况如下：

（1）正常蓄水位稳定渗流期的上、下游坝坡（有效应力法）。

（2）施工期上下游坝坡（总应力法）。

（3）正常蓄水位稳定渗流期+地震的上、下游坝坡（有效应力法）。

坝坡稳定计算材料参数如表1。

表1 坝坡抗滑稳定计算参数

4 计算结果与分析

4.1 渗流计算结果分析

正常蓄水位工况渗流等势线及侵润线如图1，坝体稳定渗流计算结果如表2。

图1 正常蓄水位坝体等势线及侵润线

表2 稳定渗流期计算结果

从图1和表2可以看出，心墙下游出逸点最大比降0.004，小于允许出逸比降，不会发生渗透变形而破坏。 下游坝坡出逸点最大比降0.025，小于地基土的允许出逸比降，不会发生渗透破坏。沥青心墙防渗效果较好，满足规范要求。

4.2 坝坡稳定计算结果

稳定渗流期及施工期坝坡稳定计算如图2～图4，各工况坝体稳定渗计算结果如表3。

图2 正常蓄水位稳定渗流期坝坡稳定计算（无地震）

图3 正常蓄水位稳定渗流期坝坡稳定计算（Ⅷ度地震）

图4 施工期上下游坝坡稳定计算

表3 坝坡抗滑稳定计算最小安全系数

从图2～图4和表3可看出，经计算各种工况下坝坡抗滑稳定安全系数最小值均大于规范允许值，大坝上、下游坝坡是稳定的。

5 结语

通过AutoBANK软件对绿化水库渗流及坝坡稳定计算，沥青心墙下游及下游坝坡出逸点最大比降均小于允许出逸比降，不会发生渗透变形而破坏，沥青心墙防渗效果较好，满足规范和设计要求。 上、下游坝坡抗滑稳定安全系数最小值均大于规范允许值，大坝上、下游坝坡是稳定的。