外坦水库渗流及坝坡稳定分析

黄孙坚，尤斌武

（永嘉县水利水电勘测设计院，浙江 温州 325100）

0 引言

大坝渗流对水库的危害极大，随着渗漏量的增大，水库软弱结构面强度降低，断裂带充填物渗透变形增大，水工建筑物失稳，坝体滑动，更有甚者会引发溃坝。为此，必须针对大坝实际加强坝体防渗，保证大坝安全运行。

1 计算原理

水库渗流及坝坡稳定分析主要以水头分布为研究对象，并将均质坝渗流过程简化为x～z垂直剖面二维渗流问题，在二维渗流连续方程中导入达西定律便得出以下方程：

上式（1）便是二维坝体自由面各向异性稳定渗流场微分方程，其中的kx、kz为x向和z向的渗透系数。

水库坝坡稳定性分析通过简化的毕肖普法进行，应用有效应力法进行分析时，毕肖普法安全系数按下式确定：

式（2）（3）中：Fs—毕肖普法坝坡安全系数；c′i—大坝土条粘聚力有效值（kPa）；φ′i—大坝土条内摩擦角（°）；Wi—土条重量（kg）；bi—土条宽（m）；ui—土条底弧面中点孔隙水压力（kPa）；αi—通过土条底面重心的土条重力线和半径夹角（°）。经过迭代分析，便可得出均质坝坝坡安全系数Fs取值。

2 水库渗流及坝坡稳定分析方案

外坦水库位于永嘉县沙头镇渠口村，小楠溪支流渠口溪上游，水库大坝坐落于渠口村北面，距离渠口村直线距离1.20 km。该水库是一座以灌溉为主，结合饮用水的水利工程。水库大坝始建于1958年10月，1959年11月建成投入运行，1960-1983年期间大坝陆续加宽、加高三次至现有规模。水库坝址以上集雨面积0.61 km2，水库总库容14.47 ×104m3，正常库容9.98 ×104m3，为小（2）型水库。水库枢纽主要由大坝、溢洪道、放水涵管等建筑物组成，大坝为均质坝，最大坝高16.20m，坝顶长度101.60m。根据地质勘探报告，大坝为均质坝，现状坝顶长101.60m，最大坝高16.20m，坝顶高程282.34 ～282.84m，坝顶宽度7.76 ～10.40m，大坝坝顶采用C20混凝土护面。

文章选取外坦水库大坝坝体进行渗流及坝坡稳定分析。大坝坝体为均质土坝，最大坝高16.20m，坝顶高程约282.50m（国家85高程），坝顶较宽，一般宽度在7.76 ～10.40m，迎水坡坡比为1∶1.17 ～1∶2.26 ，背水坡坡比1∶0.83 ～1∶1.65 ，大坝上、下游均为土坡，坝顶铺设10cm混凝土面层，上、下游坡体采用块石铺排护坡，坡体植被覆盖稀少。从钻探揭露的岩土层性质，结合室内土工试验成果可知，水库大坝主要采用周围山体上全风化凝灰岩、残（坡）积土（含角砾粘土）经人工夯实填筑而成。此次勘察揭露坝体填筑材料为含角砾粉质粘土②，护坡坡体为填块石砌筑，坝肩基础落于中风化凝灰岩③（J3x）上，坝基持力层为中风化凝灰岩。据钻探及土工试验成果分析，坝体土多为粉质粘土，局部为粘土，不均匀夹少量角砾及中粗砂，总体以粘性土为主，坝体土质均匀性较差，不符合现行《碾压式土石坝设计规范》对防渗体填筑料的标准。

防渗加固设计方案选定的原则是简便易行、方案可靠，加固采用的防渗形式宜与原防渗体相同或类似，根据实际情况和类似工程经验，外坦水库大坝坝体拟定采用粘土防渗墙和混凝土防渗墙两种方案进行防渗加固。

2.1 网格划分

文章利用SEEP/W程序对外坦水库斜墙坝最大剖面进行渗流稳定分析，防渗墙设置后计算模型简图具体见图1，渗流稳定分析前还应进行模型自由网格剖分，模型的有限元网格具体见图2。迎水面上游水位以上为不透水边界，而定水头边界设定在迎水面上游水位以下，背水面271.64m以上为不透水边界，以下为可变边界；若水头高出该高程，则为等同于高程的水头边界，若水头低于该高程，则为不透水边界。

图2 模型的有限元网格划分图

2.2 渗流计算方案及参数

对正常蓄水位和设计洪水位的正常运用条件以及校核洪水位的非正常运用条件下，分析各水位及所对应下游水位坝体稳定渗流场，并分正常蓄水位279.00m、设计洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三种工况进行渗流计算。

渗流计算过程应以坝体受斜墙和砂石区浸润线的影响为重点，砂壤土保护层参数选取应与砂石料相同，粘土铺盖和粘土护坡参数应与粘土斜墙相同。通过室内渗透试验所得到的坝料饱和渗透系数等参数取值具体见表1。

表1 坝料饱和渗透系数等参数取值表

在大坝坝体渗流稳定分析过程中，必须考虑非饱和土体渗流作用的影响，非饱和土体渗透系数并非常数，而是土体基质吸力或含水量的函数。文章主要根据级配曲线预测土水特征曲线的方法推求大坝坝料土水特征曲线，并根据所得到的土水特征曲线确定饱和渗透系数并推算渗透函数。

2.3 下游坝坡抗滑稳定分析

通过简化毕肖普法进行外坦水库坝坡稳定渗流期抗滑稳定分析。根据《碾压式土石坝设计规范》相关规定，正常运用条件及非正常运用条件下，水库大坝坝坡抗滑稳定安全系数最小值应分别取1.30 和1.20 。坝坡抗滑稳定分析剖面的选取与水库大坝渗流分析相同，在Geostudio2007的SLOPE/W程序中应用有效应力法进行下游坝坡防渗墙设置前后抗滑稳定性分析计算，有效应力法所对应的孔隙水压力值根据有限元渗流计算得到。

下游坝坡抗滑稳定计算采取与坝体渗流计算类似的处理，即砂壤土保护层物理力学指标取值与砂石料相同，粘土铺盖层和护坡层物理力学指标取值与粘土斜墙相同。

3 计算结果

根据正常蓄水位279.00m、设计洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三种工况下的浸润线位置和孔隙水压力图可以看出，浸润线曲线所对应的孔隙水压力为0；浸润线将坝体划分为两个区域：浸润下以下的饱和区和浸润线以上的非饱和区，前者孔隙水压力为正，后者孔隙水压力为负。设置防渗墙前斜墙土料和砂石料渗透系数分别取1.00 ×10-5cm/s和1.00 ×10-4cm/s，防渗性能不良，且两者相差整整一个量级，这也说明下游坝壳浸润线位置高，水流主要从下游坝坡逸出。上游水位高低对浸润线位置的影响较大，在坝轴线处设置防渗墙前，浸润线位置与上游水头基本齐平；而设置防渗墙后，浸润线在防渗墙前段急剧降落，在防渗墙后段浸润线位置受下游水位影响不大；下游坝壳中浸润线位置较低，且水位未从下游坝坡逸出。

正常蓄水位279.00m、设计洪水位281.08m和校核洪水位281.58m三种工况下防渗墙设置前后大坝坝体单宽渗流量测试结果详见表2。根据试验结果，防渗墙设置前渗流流量明显大于防渗墙设置后，且防渗墙设置后三种工况下大坝坝体单宽渗流量均随水位升高而呈增大趋势。防渗墙防渗效果十分明显，且混凝土防渗墙的防渗效果优于粘土防渗墙。

表2 坝体单宽渗流量计算结果表

此外，根据对三种工况下大坝坝坡稳定安全系数允许值的分析发现，在防渗墙设置前，不同工况下坝坡稳定安全系数均随水位升高而递减，且安全系数取值均不满足规范要求；而防渗墙设置后，不同工况下坝坡稳定安全系数允许值均能达到规范要求，且混凝土防渗墙坝坡稳定安全系数值大于粘土防渗墙，充分表明防渗墙措施加固效果良好。粘土防渗墙在校核洪水位281.58m工况下工程安全性良好，其余工况下安全性一般；经济合理。混凝土防渗墙工程安全性及经济合理性均优于粘土防渗墙。故最终推荐混凝土防渗墙加固方案。

4 结论

综上所述，外坦水库均质坝防渗墙设置前，坝壳和斜墙渗透系数相差一个量级，且下游浸润线较高，水流主要从下游坝坡出逸；单宽渗流量明显大于防渗墙设置后的单宽渗流量值，下游坝坡抗滑稳定安全系数取值也不满足规范要求。而将防渗墙设置于坝轴线处后使浸润线急剧降落，坝坡安全系数也达到规范要求的水平，表明防渗墙防渗作用显著，且混凝土防渗墙比粘土防渗墙的防渗效果更加优良。综合考虑防渗效果及防渗加固设计方案选定的原则，外坦水库大坝坝体主要选用冲抓套井回填粘土防渗墙加固方案。