当卡土石坝段渗流及稳定性分析

郑福杰，谭海劲，谭文超，张 宇，白明龙，谢兴华

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635；3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

土石坝渗流控制主要采取的“前堵后排”的方法，常用防渗措施主要分为水平防渗和垂直防渗，水平防渗包括复合土工膜、黏土铺盖等，垂直防渗包括黏土心墙、防渗墙等[1-2]。在透水地基上修建的土石坝或除险加固工程中，水平铺盖是常用的一种防渗措施[3]。蒋雁[4]分析了坝基灌浆和全库黏土铺盖2种防渗方式在源头井水库的加固中的应用；薛瑾[5]利用Geo-Studio模拟比较了防渗铺盖、帷幕灌浆对老板田水库的渗流场的影响，并分析其对坝坡稳定性的影响；舒海辉[6]通过有限元分析了水平铺盖长度对土石坝坝体与坝基内部孔隙水压力分布的影响。其他许多学者也对不同防渗措施下土石坝渗流及稳定性的影响进行了研究[7-12]。当卡水电站在运行过程中，土石坝段下游坝脚有少量渗水，为说明土石坝段渗流安全状况，本文以当卡土石坝段为研究对象，对比分析土工膜与上游坝脚截渗槽、土工膜与壤土铺盖2种防渗形式对当卡土石坝的渗流稳定性的影响。

1 工程概况

玉树当卡水电站位于青海省玉树州玉树县下拉秀乡当卡村子曲河段，电站为Ⅲ等中型工程，枢纽从右至左主要由混凝土坝、河床式电站厂房、溢流坝、泄洪闸及复合砂砾石坝。水库正常蓄水位，设计、校核洪水位均为3848.00m，死水位3846.00m。

砂砾石坝布置于主河床左侧阶地上，全长313.84m。坝体上游坡1∶2.3，下游坡1∶1.8。坝顶高程3849.00m，防浪墙顶高程3850.20m，坝顶宽8.0m，最大坝高21m。坝体上游坝坡3828.00m以上布置一道复合土工膜防渗。坝内设置有L型排水体并与下游排水棱体相接，并设置反滤层，以防止坝体和坝基砂砾料中细料的流失。河床覆盖层岩性主要为冲积含漂石砂卵砾石层，下伏基岩岩体以弱透水为主，少量中等透水。土石坝段典型剖面图如图1所示。

图1 当卡土石坝典型断面图

2 模型与模拟条件

2.1 计算原理

(1)渗流计算

本文渗流计算选取符合达西定律的不可压缩各向同性土体的二维空间稳定渗流，其渗流域内任一点水头函数h应满足下述基本方程式：

(1)

式中，h—水头函数，h=h(x，y)；k—渗透系数。定解条件为：

流量边界：

(2)

水头边界：

h|Γ1=h1(x，y)

(3)

式中，Г1—第一类边界，本文根据大坝运行过程中上下游实际水位进行设置；Г2—不透水边界和潜流边界等第二类边界，本文坝基两侧及底部设为不透水边界，下游坝坡设置为潜在渗流面边界，对可能的浸润线逸出点进行计算。

(2)坝坡稳定性计算

当卡坝址区地震动水平加速度为0.1g，地震基本烈度为Ⅶ度，采用拟静力法进行对坝坡进行抗震稳定性复核。根据SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》，边坡稳定性分析方法利用极限平衡法中的简化毕肖普法计算，其公式为：

(4)

式中，W—土条重量；V—垂直地震惯性力；u—作用于土条底面的孔隙压力；α—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b—土条宽度；c′—土条底面的凝聚力；φ′—土条底面的内摩擦角；MC—水平地震惯性力对圆心的力矩；R—圆弧半径。

2.2 模型设置

采用二维模型对当卡土石坝进行分析计算，模型边界沿上游坝脚延伸120m，沿下游坝脚向下游坝脚延伸40m，坝基向下取2倍坝高，模型采用三角形四边形进行剖分，全局单元最大尺寸为0.5m，共划分为47122个单元，大坝上游至下游依次为：上游护坡、复合土工膜、上游细砂垫层、L型排水体、砂砾石壳、下游贴坡排水体，坝基自上而下分别为：砂砾石层、弱风化基岩；模型计算断面如图2所示。

图2 当卡土石坝有限元模型断面图

2.3 计算工况及参数

针对该工程下游坝脚存在渗漏的情况，本文以对该工程渗透稳定进行分析，并与其它防渗形式方案采进行比较，其中水平壤土铺盖采取2种方案：

方案一：土工膜+壤土铺盖，其中铺盖长度分别为100、50、0m，铺盖厚度分别为1、2、3m，共7中工况

方案二：土工膜+混凝土截渗槽，截渗槽伸入弱风化基岩1m。

模型计算所需的其它坝体分区的渗透系数、力学参数等根据地勘资料及设计报告资料进行确定，见表1。

表1 坝体材料参数

根据SL 274—2020规定，应考虑到大坝在运行过程中可能出现的各种不利情况，本文计算工况根据根据电站实际运行情况和设计资料进行确定，具体设置见表2。

表2 计算工况表 单位：m

3 计算结果

3.1 渗流计算分析

根据二维有限元渗流计算得到的部分工况下稳定渗流计算结果如图3—6所示。从图中可以看出，土工膜后的浸润线高程大幅降低，水流流经坝体后通过下游排水体流出，复合土工膜起到了良好的防渗效果，膜后排水体排水效果显著。仅在坝体上游采取土工膜防渗时坝基在下游段也承担了较高的水压力；坝基上游坝脚采用壤土铺盖防渗时，总水头线分布在上游铺盖范围内，且铺盖水平长度越长，总水头线分布越稀疏，坝体下游承担的水头压力较小。不同方案、不同工况下大坝渗流计算结果见表3，材料的临界坡降根据设计资料选取。由计算结果可以看出，不对坝基采取防渗措施时，坝基渗透坡降达到了1.07，超出了临界坡降，渗漏量达到了1.72×10-3m3/s，坝基会发生渗透破坏；采取壤土铺盖工况时，大坝渗漏量、坝基渗透坡降及坝体浸润线出逸处的坡降均随壤土铺盖长度和厚度的增大而减小；但各项计算指标仍比截渗槽工况下的计算值大。计算结果表明，采取复合土工膜与截渗槽的联合防渗方式效果最好，砂砾石坝基坡降为0.006，浸润线出逸处坡降为0.003，大坝单宽渗漏量为1.83×10-5m3/s，能够满足渗流安全。

表3 坝体渗流计算结果表

图3 工况3总水头等值线及浸润线图

图4 工况6总水头等值线及浸润线图

图5 工况7总水头等值线及浸润线图

图6 工况8总水头等值线及浸润线图

3.2 坝坡稳定分析

以工程实际防渗措施和前文分析的渗流结果为基础，对土工膜+截渗墙防渗形式下的大坝坝坡稳定性进行分析。如图7—10所示为土石坝在3种水位及地震工况下的危险滑弧位置及最小安全系数图，正常水位坝坡最小安全系数为1.41>[Fs]=1.35；校核水位工况坝坡安全系数分别为1.39>[Fs]=1.20；正常水位运行偶遇地震工况坝坡最小安全系数为1.23>[Fs]=1.15，大坝计算断面在以上各种工况下均处于稳定状态，满足安全要求。

图7 正常蓄水位上下游坝坡最危险滑弧及安全系数

图8 设计洪水位上下游坝坡最危险滑弧及安全系数

图9 校核洪水位上下游坝坡最危险滑弧及安全系数

图10 正常蓄水位遇地震上下游坝坡最危险滑弧及安全系数

4 结论

本文针对当卡土石坝段下游坝脚附近少量渗水的现象，对其渗流稳定性进行了研究，并进一步分析了不同水位工况下的坝坡稳定性，得出以下结论。

(1)复合土工膜和截渗槽的防渗效果良好，砂砾石坝壳内浸润线位置低，出逸点在下游贴坡排水体内，出逸坡降均小于坝体材料的允许坡降，坝体渗漏量较小，下游坝脚虽有少量渗水但渗水清澈且已正常运行多年，不会危及大坝安全。

(2)在正常、设计、校核水位及地震工况下，大坝上下游坝坡安全系数均大于规范值，坝坡稳定性满足规范要求。