铁斯巴汗水库渗流及大坝稳定性研究

马小甜

(塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

1 引言

水库大坝在使用过程中其安全性会出现不同程度的变化，及时对大坝进行安全复核是十分重要的[1-2]。影响大坝安全的主要因素包括：渗流安全和结构安全[3-6]。科学、合理分析坝体稳定性可为大坝除险加固工程设计提供参考。

铁斯巴汗水库枢纽布置水库枢纽主要包括大坝、溢洪道、放水涵洞三部分。大坝坝型为土工膜斜墙堆石坝，最大坝高13.62 m。大坝全长277.5 m，大坝轴线大致呈东西方向，坝顶宽6.0 m，坝顶高程为1246.32 m。坝顶上游侧设钢筋砼防浪墙，防浪墙高出坝顶1.2 m，防浪墙顶高程为1247.52 m。坝顶采用20 cm厚砂砾石路面，上游坝坡为1∶1.5，采用0.2 cm(厚)×3(长) cm×3(宽)m的C20F200砼块护坡。下游坝坡为1∶1.4，采用8(厚) cm×40(长) cm×40(宽) cm的C15F200砼预制块护坡)。

2 大坝渗流安全分析

2.1 大坝渗流安全评价

由于铁斯巴汗水库没有安全监测设施，大坝渗流安全评价主要采用现场检查法和计算分析法。

坝体采用土工膜防渗，土工膜的渗透系数应小于10-11cm/s。对土工膜斜墙堆石坝防渗土料的渗透系数不大于1.0×10-5cm/s这一要求可以看出，该大坝土体的渗透系数符合规范要求。大坝下游未设排水设施，致使大坝下游排水不畅，满库时坝后有积水。

(1)坝体、坝基土层参数的选择

根据《托里县铁斯巴汗水库除险加固工程技施设计报告》提供的参数，选择代表性断面为：0+080断面、0+200最大横断面、0+220坝体冲毁后重填断面、0+280断面。

坝体为土工膜斜墙堆石坝，坝体填筑以堆石料为主，坝前为砼面板；坝基为基岩。坝前库中有部分淤积，桩号(0+220～0+255)有坝体冲毁重填区域。

根据以上资料，计算断面可以简化为6个区域：

①土工膜斜墙；②水库淤积层；③坝体堆石料填筑；④坝基砂砾石；⑤基岩；⑥坝体冲毁砂砾石料填筑；

土层参数见表1。

表1 铁斯巴汗水库坝体、坝基土层参数

(2)计算方法

渗流计算以《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)为依据，采用北京理正软件设计研究所的《渗流分析软件》进行计算，计算方法为有限元法。以最不利原则兼顾两岸坝体渗流情况，选择代表性断面为0+080断面、0+200最大横断面、0+220坝体冲毁后重填断面、0+280断面，计算时均为稳定渗流条件，上游水位正常蓄水位为1244.18 m，死水位为1239.13 m。

(3)计算成果

计算结果见表2。

表2 铁斯巴汗水库坝体、坝基渗流量计算表

由表2可知，稳定渗流期(库水位在1244.18 m时)坝体、坝基总渗漏流量Q=640.76 m3/d。

根据水库蓄水运行过程，一年大概有2/3的时间是正常运行期，水库坝体、坝基年渗漏量W年渗=Q×365×2/3。

W年渗=640.76(m3/d)×365×2/3=15.59×104m3

(1)

从计算的渗漏量看坝址区年渗漏量为15.59×104m3，铁斯巴汗水库现状总库容为70×104m3，大坝年渗漏量占水库总库容的22.27%。

2.2 大坝渗流稳定性分析

坝体的允许渗透坡降参照以下公式确定：

J破坏=(Δ-1)(1-n)

(2)

(3)

式中：Δ为比重，Δ=γs/γ水=2.5；n为孔隙率，n=0.25。

图1 大坝最大断面(桩号0+200)渗流程序计算等势线图

坝后溢出点的渗透比降imax=0.2

3 大坝稳定性分析

3.1 大坝变形复核

根据现场检查可知，大坝上下游坝坡均有不同程度破坏。主坝段上游设砼护坡，砼护坡上分布有纵横裂缝数条，缝宽1 cm～2 cm。护坡上未设排水孔。大坝两侧坝肩砼护坡底部有空洞现象，上下游坝坡杂草丛生。主坝段在坝顶上游侧设置“L”型的钢筋砼防浪墙，防浪墙有裂缝现象。下游未设排水设施。大坝左右坝肩在2016年7月28日曾发生坝顶漫流事件。

3.2 坝体变形分析

铁斯巴汗水库大坝上下游坝坡均有不同程度破坏。此现象产生的主要原因可能有两点：

1)由于填筑土浸水后坝坡不均匀沉陷，部分坝段上游坝坡在水位正常降落期，受坝体内水压力的作用及水位变动的影响。下游坝坡在正常高水位期受渗透压力的作用向下游堆积。后经自然风力及雨水等条件的侵蚀，形成坝坡坡比不均一的现象。

2)水力侵蚀作用。由于建坝时上游坝坡未采用任何防浪措施，受风浪掏刷作用，上游坝坡部分填筑土被水流侵蚀沉入库盘内，形成上游坝坡坡比不均一及陡坎等现象。

以上因素造成了坝体结构变形，坝体的沉降降低了水库兴利库容，影响了水库兴利作用的发挥。

3.3 大坝结构安全稳定分析

结合大坝实际运行情况对以下各工况进行计算：

a.稳定渗流期上下游坝坡，上游水位为正常蓄水位1244.18 m；

b.骤降期上游坝坡，上游水位从校核洪水位1245.19 m骤降至死水位1240 m。

(1)各计算断面参数的选择

铁斯巴汗水库大坝坝型为土工膜斜墙堆石坝。大坝全长290 m(其中30 m为交通桥)，最大坝高13.62 m，坝顶高程为1246.32 m，坝顶宽6.0 m。在坝顶上游侧设置“L”型的钢筋砼防浪墙，防浪墙顶高程为1246.52 m。上游坝坡为1∶1.5，采用0.2(厚) m×3(长) m×3(宽)m的C20F200砼块护坡。下游坝坡为1∶1.4，采用8(厚) m×40(长) m×40(宽) cm的C15F200砼预制块护坡。上游坝坡与防浪墙接触处采用聚胺脂填塞。以最不利原则选取计算断面，考虑到最大横断面处水头压力最大，最容易出现异常情况，所以选择最大横断面0+200断面及坝体冲毁重填横断面0+220断面为计算断面。根据地质勘察报告选取所选断面的参数，土层参数见表3。

表3 铁斯巴汗水库大坝土层参数表

(2)计算方法

由于大坝为堆石坝，稳定计算采用折线形滑面摩根斯顿-普赖斯法。

(3)计算结果见图2及表4。

a横断面(0+200)正常蓄水位稳定渗流期上游坝坡

b横断面(0+200)正常蓄水位稳定渗流期下游坝坡

c横断面(0+200)正常蓄水位水位降落期上游坝坡

d横断面(0+220)坝后冲毁段正常蓄水位稳定渗流期上游坝坡

e横断面(0+220)坝后冲毁段正常蓄水位稳定渗流期下游坝坡

f横断面(0+220)坝后冲毁段正常蓄水位水位降落期下游坝坡

表4 铁斯巴汗水库大坝稳定计算表

4 结论

(1)当库水位为稳定渗流期(库水位在1244.18 m)时，根据渗流程序计算得：大坝的年总渗流量为Q=15.59×104m3。坝体、坝基的渗流是稳定。

(2)坝体浸润线位置不高，出逸点在坝脚。考虑在工程加固时，只对上游坝坡进行防渗处理。

(3)经计算，大坝最大横断面0+200断面稳定渗流期上、下游坝坡稳定安全系数为K上=1.928>1.25、K下=1.263>1.25；水位骤降期上游坝坡最小安全稳定系数为K上=1.894>1.15，满足现行规范要求。

(4)坝体冲毁重填段桩号0+220断面稳定渗流期上游坝坡稳定安全系数为K上=1.998>1.25，水位骤降期上游坝坡最小安全稳定系数为K上=1.918>1.15，满足现行规范要求；稳定渗流期下游坝坡稳定安全系数为K上=1.026<1.25，不满足现行规范要求。