某水库土石坝渗流稳定安全计算与分析研究

贾庆稳

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

我国是一个水利大国，已建和在建的各类水库数量众多[1]。近年来，由于早期修建的水库逐步步入“老龄化”，特别是早期修建的各类中、小型水库，水利工程结构的安全问题日益突显，给水利水电工程结构的安全运行带来严峻挑战，是当前的研究热点和难点[2- 4]。据不完全统计，我国病险水库总量约有6.02万座，数量庞大，这些水库在我国国民经济和社会的发展中扮演了举足轻重的角色[5- 7]。在众多水利工程结构中，大坝坝体作为最重要的挡水建筑物，对大坝下游的防洪保安起着非常重要的作用[8]。在当前病险水库安全鉴定中，合理评估不同运行工况大坝坝体的渗流稳定显得尤为重要[9- 10]。

1 工程概况

某水库始建于20世纪70年代，是一座以灌溉为主兼有养殖等综合效益的小(2)型水利工程。枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施等组成。坝址以上集雨面积0.2km2，主河道长0.62km，河床平均坡降66.94‰，总库容17.14万m3，正常库容15.09万m3。设计灌溉面积300亩，现实际灌溉面积225亩。该水库大坝为均质土坝，坝顶高程为809.93m，最大坝高18.8m，坝顶宽4.5m，坝顶轴线长67.8m。大坝上游坝坡坡比1∶2.5，下游坝坡坡比为1∶3.0。坝脚有4.0m高的堆石排水体。大坝基岩为泥质粉砂岩。

坝体填筑土以红褐色粉质黏土为主，夹少量砂岩碎块或泥岩碎块。钻孔揭示不同深度的土层多处含砂较重，呈透镜状，分布不均。坝体坝段中含粉砂质泥岩及砂岩碎块，碎块块径1～4cm居多，个别达9cm，含量约占3%。为了复核坝体填筑土质量，对坝体填筑土进行了室内物理力学试验。试验结果表明：填筑土除pH值、黏粒含量偏高和紧密密度偏低外其余指标基本符合质量技术要求；大坝填筑不均一，物理指标有一定差异性。填筑土属中等压缩土，自由膨胀率平均值为22%。坝体土未完全固结，根据钻孔注水试验坝体土属于中等-弱透水层，根据室内试验坝体土属于弱透水层；填筑土的压实度差异较大，填筑质量较差。鉴于此，有必要对该水库大坝进行渗流安全计算分析，从而及时掌握坝体的健康状态，保障水库各项功能的正常运行。

2 工程地质条件

水库枢纽在区域上处于海拔高程在380～750m，相对高差100～370m，地势北东高、南西低。地貌单元属构造剥蚀堆积类型，显低山深丘狭谷地貌特征。

在构造作用下，河谷下切较深，两岸深沟发育，形成树枝状。由于岩层平缓，受侵蚀切割形成阶梯状岭谷地貌，山顶宽阔平坦，呈圆顶状。台地边缘深沟狭谷发育，平面呈现不规则锯齿形状，台面宽度为数十至数百米，台面地带多为泥岩分布，地形平缓，风化剥蚀作用相对较强，台地边缘岩坎高度与砂岩厚度密切相关。

枢纽区河谷狭窄，河床宽8～11m，两岸坝肩坡度15°～40°。枢纽覆盖层由中生界白垩系下统白龙组(K1b)和苍溪组(K1c)内陆河湖相碎屑岩组成。第四系全新统松散堆积层以冲、洪积为主，零星分布于河漫滩及阶地上，残积及崩坡积一般分布于河谷两岸坡；坝址区出露地层为白垩系下统苍溪组(K1c)灰-灰白色厚-巨厚层长石砂岩夹薄层紫红色粉砂质泥岩，分布于两坝肩及河床坝基。

据勘探揭示，坝基为强风化砂岩，建坝时仅挖了深度约0.3m的截流槽，未采取其他防渗处理措施，强风化岩体为碎裂-散体结构，为渗漏通道。坝基强风化岩体厚1.5～2.9m，岩体呈碎裂-散体结构。弱风化岩体厚度5.3～6.8m，岩体完整性较好。新鲜岩体完整。据钻孔压(注)水试验资料，强风化岩体渗透系数K=5.23×10-3cm/s，属中等透水层；弱风化岩体透水率q=9.7～12.4Lu，属弱-中等透水层，上述地质条件表明坝基存在渗漏问题。强风化岩体为主要渗漏通道，透水带(q≥10Lu)厚度为6.3～7.4m。

3 坝坡稳定计算及分析

3.1 计算条件

根据SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，该水库属小(2)型水利工程。工程等级为Ⅴ等工程，其主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》的规定，采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法[11- 14]时，相应的坝坡抗滑稳定最小允许安全系数见表1。

土体的抗剪强度指标选用是否合理，直接影响到坝坡抗滑稳定分析成果的可靠性。因此，坝体、堆石体各物理力学性质指标采用土工试验成果中计算参数建议值。各种材料的力学指标采用情况见表2。

表1 坝坡抗滑稳定最小安全系数表

3.2 计算工况

由于该水库是一座以灌溉为主的小(2)型水库，目前放水设施已经封堵，现主要采用提灌供水。经计算校核洪水位和设计洪水位都未超过现有坝顶高程。水库地区历史地震频率低，基本烈度为Ⅵ度，不存在发震断裂。故根据SL 274—2001的规定，并结合工程实际情况，设置的计算工况如下。

3.2.1上游坝坡

工况一：正常高水位808.50m形成的稳定渗流期；

工况二：上游设计洪水位809.14m时形成的渗流情况；

工况三：上游校核洪水位809.39m时形成的渗流情况。

3.2.2下游坝坡

工况一：正常高水位808.50m形成的稳定渗流情况；

工况二：设计洪水位809.14m形成的稳定渗流情况；

工况三：校核洪水位809.39m形成的稳定渗流情况。

3.3 计算结果及分析

鉴于该大坝为均质土坝，根据规范要求，对坝坡的稳定分析采用理正岩土软件自带的程序进行计算，按刚体极限平衡法中不计条间作用力的瑞典圆弧法计算出抗滑稳定最小安全系数，计算结果见表3。

从上表稳定计算成果可知，目前大坝上游坝坡在上游库水位由校核洪水位809.39m形成的稳定渗流情况下(工况三)抗滑稳定最小安全系数Kmin仅为1.035，不满足规范允许值(1.05)的要求。下游

表2 筑坝材料主要物理力学计算指标

表3 大坝坝坡抗滑稳定计算成果表

坝坡在设计洪水位809.14m形成的渗流情况下(工况二)抗滑稳定最小安全系数Kmin仅为1.103，不满足规范允许值(1.15)的要求。故大坝上下游坝坡存在不稳定的安全隐患问题。各种工况下的滑弧详图如图1—6所示。

分析可知，上游坝坡在工况一(正常高水位808.50m)稳定渗流时，其最不利滑裂面起于上游坡脚位置，止于坝顶下游侧。上游坝坡在工况二(设计洪水位809.14m)和工况三(校核洪水位809.39m)时，其最不利滑裂面均起于上游坝坡中下部位置，同样止于坝顶下游侧。而至于下游坝坡，在工况一时，其滑裂面的滑弧位于排水棱体处，说明此时最危险的部位位于排水棱体，而其他两种工况的最不利滑裂面基本一致，起于坝顶上游侧而从下游坡脚位置剪切滑出。

4 结语

本文针对当前老水库普遍存在工程结构老化的问题，以始建于20世纪70年代的某小(2)型水库为例，通过对水库枢纽工程现场检查，并对坝体土

图1 上游坝坡工况一下的滑弧详图

图2 上游坝坡工况二下的滑弧详图

图3 上游坝坡工况三下的滑弧详图

图4 下游坝坡工况一下的滑弧详图

图5 下游坝坡工况二下的滑弧详图

图6 下游坝坡工况三下的滑弧详图

进行土工试验分析获得稳定性计算参数，采用经典极限平衡法中的瑞典圆弧法对该大坝的上下游坝坡进行的稳定性分析，同时分析了不同工况的最不利滑裂面分析，发现在多个运行工况下该大坝上下游坝坡存在不稳定的安全隐患问题，建议及时采用相应进行整治。根据实际情况，建议对上游坝坡进行整形、护坡处理、增设坝体周边排水沟，同时对大坝坝基进行帷幕灌浆防渗，从而使坝体达到渗流稳定的要求。