某水库土石坝渗流稳定分析

孔佑龙

（贵阳市水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

土石坝作为重要的挡水建筑物，其稳定性受建坝材料及建筑时间长等因素影响[1]。合理准确地分析坝体渗流稳定性能够保障坝体正常运行及下游居民生命和财产安全。目前，已有许多学者对坝体稳定性分析进行了大量的研究，提出了很多不同的方法。阿布都沙拉木等[2]依据北疆某水库大坝多年渗流资料进行了系统分析，明确了该水库的渗透稳定性。殷跃平[3]对三峡库区滑坡防治工程设计中的渗透压力问题进行了较为系统的研究。李辉等[4]建立土石坝在不同水位时的渗透特性模型。姚浩等[5]以邢台市某土石坝为例，计算分析了该粘土心墙坝渗流和稳定均满足设计要求。本文以始建于1958 年的某老水库为例，在坝体土工取样试验和水利枢纽现场检查结果的基础之上，运用GeoStudio 软件结合Simplified Bishop 圆弧法对该库土石坝渗流稳定性进行计算分析，并提出了相应的防渗措施建议。

1 工程概况

某水库坝型为均质土坝，始建于1958 年，于1965年扩建成小（1）型水库，水库总库容192 万m3，主要功能为灌溉，设计灌溉面积6920 亩，实际灌溉面积为5800 亩。坝址以上集水面积为9.3km2，其中主河道长6.44km，河道平均比降为21.1‰。枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施等组成。坝顶高程为1317.20m，最大坝高20.2m，坝轴线长为120m，坝顶宽2.1m，大坝上游迎水面坡比为1∶3.15；大坝下游背水面坝坡分为三段：上坝坡坡比1∶1.5，中坝坡坡比1∶2.7，下坝坡坡比1∶3.35，坝脚排水棱体坡比为1∶1.5。

大坝填筑材料为黄褐色粘土，呈可塑至软塑状，含岩屑颗粒，局部岩屑颗粒含量较多，粘性差，较松散。为了复核坝体填筑土料质量，对钻孔取芯的坝体填筑土料进行了室内物理力学试验。试验结果表明：大坝坝中段坝体填筑土料局部渗透系数大于1×10-4cm/s，最大值为2.14×10-4cm/s；同时结合现场检查发现大坝下游坝坡一级马道出现的两处渗漏带。鉴于此，有必要对该水库大坝进行渗流安全计算分析，了解大坝运行状态，保障水库各项功能的正常运行。

2 工程地质条件

水库属高原侵蚀、溶蚀型中山～中低山地貌，地势较平缓，河谷较宽。碳酸盐岩区域地质营力以溶蚀作用为主，基岩多为裸露及半裸露；碎屑岩区域地质营力以侵蚀作用为主，一般覆盖层较厚。库区地形起伏较大，高程于1280m～1500m 之间，地形开阔，地形平均坡度15°～30°，局部存在陡坡、陡坎。

坝区河谷为顺向谷，岩层倾向左岸，坝址区为浅切低中山河谷地貌。两岸坡覆盖层为褐色、黄褐色的粘土、砂土和碎石块，厚0.5～3.5m 不等；左坝肩基岩为灰、深灰色厚层块状含硅质岩团块生物碎屑石灰岩；坝基及右坝肩主要为灰、深灰色粘土岩、泥晶石灰岩。根据钻孔取芯揭示，坝基基岩为深灰色粘土岩夹灰岩，基岩软硬相间，差异风化强烈，强风化厚度一般3～5m，且强风化层及弱风化层节理裂隙发育，岩芯主要呈碎块状、短柱状，透水性强。钻孔压水试验显示，坝基、坝肩的接触带基岩风化强烈，透水性强，不起压。弱风化岩体透水率4.7～5.1Lu，属弱透水层。

3 坝体渗流稳定分析

3.1 计算条件

根据《防洪标准》（GB50201-2014）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）的规定，本工程水库属小（1）型水库，工程等级为Ⅳ等，主要建筑物大坝、溢洪道、取水建物为4 级建筑物，次要建筑物（含临时建筑物）为5 级。根据SL274-2020《碾压土石坝设计规范》的规定，该大坝属均质土坝，坝基无软弱夹层或软弱带等情况，故采用计及条块间作用力的简化毕肖普（Simplified Bishop）圆弧法进行坝坡抗滑稳定计算，相应的坝坡抗滑稳定最小允许安全系数见表1。

表1 坝坡抗滑稳定最小安全系数表

同时，土体的抗剪强度指标选用是否合理，将直接影响坝坡抗滑稳定计算成果的可靠性及合理性。因此，坝体填筑土料、排水棱体的堆石料的各物理力学参数指标采用土工试验成果中的计算参数建议值，见表2。

表2 物理力学参数指标表

3.2 计算工况

经计算，该水库的校核洪水位和设计洪水位均低于现状坝顶高程，且现状坝顶高程满足规范要求的坝顶超高要求。

水库地区历史上无中、强地震记录，区内无区域性断裂和活动断裂通过，地震基本烈度为Ⅵ度。故根据SL274-2020 的规定，结合工程实际情况，设置计算工况如下。

3.2.1 上游坝坡

工况一：正常蓄水位1314.00m 的稳定渗流期；

工况二：上游设计洪水位1315.85m 形成的渗流情况；

工况三：上游校核洪水位1316.57m 形成的渗流情况。

3.2.2 下游坝坡

工况一：正常蓄水位1314.00m 的稳定渗流期；

工况二：上游设计洪水位1315.85m 的稳定渗流期；

工况三：上游校核洪水位1316.57m 的稳定渗流期。

3.3 计算结果及分析

坝坡稳定分析采用GeoStudio 11.4.0.18 软件进行计算，按刚体极限平衡法中计及条块间作用力的简化毕肖普（Simplified Bishop）圆弧法进行坝坡抗滑稳定计算，根据计算结果所示，各工况坝坡稳定性均满足要求，详见表3。

表3 坝体上下游坝坡抗滑稳定计算成果表

根据模拟分析结果，上下游坝坡条块受力如图1、图4 所示，正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位不同水位下坝体浸润线的模拟分布情况如图2、图3 所示，其中上游水位处于设计洪水位、校核洪水位时，浸润线从下游坝坡一级马道上方逸出，正常蓄水位时浸润线有从下游坝坡一级马道逸出的迹象，结合现场检查时发现的下游坝坡一级马道出现的渗漏带（上游水位1313.75m，接近正常蓄水位1314.00m），判断出坝体渗流性态不安全。

图1 上游坝坡条块受力示意图（单位：KN）

图2 上游坝坡最危险滑移面位置图

图3 下游坝坡条块受力示意图（单位：KN）

图4 上游坝坡最危险滑移面位置图

同时根据坝坡抗滑稳定计算成果显示，该水库大坝各工况最危险滑移面对应的上、下游坝坡抗滑稳定计算成果均大于SL274-2020《碾压土石坝设计规范》中的允许最小安全系数，即大坝坝坡处于稳定状态。据此分析可知，由于大坝自1958 年建成后，经历过扩建以及数次除险加固，大坝坝体不断加厚，大坝坝坡坡比也在历次改造中不断变缓，使得大坝坝坡在渗流性态不安全的情况下可以保持稳定状态。

4 防渗措施

通过对坝体、坝基钻孔取芯、压水试验的成果及水库枢纽各部位的现场检查，结合上述的坝体渗流稳定性计算，分别对各个工况的浸润线、最危险滑移面进行了分析。综上所述，该水库大坝存在影响坝体稳定的多个安全隐患问题，建议对大坝坝基、坝肩进行帷幕灌浆，坝体充填灌浆，形成连续的防渗帷幕；防止因坝体渗流稳定性降低，改变坝体填筑粘土的物质成分或结构，进而改变坝体填筑粘土的内摩擦角和凝聚力系数，减小颗粒间的有效应力，导致坝体的抗剪强度降低。

5 结论

（1）土石坝渗流稳定性分析是土石坝安全校核的重点之一，本文通过对某库土石坝上下游坝坡在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位的渗流稳定分析，得出该土石坝在不同工况下渗流和稳定均满足设计要求。综上所述，该方法可用于土石坝的渗流稳定分析，为今后土石坝渗流分析的相关问题提供一定的借鉴。

（2）根据实际情况及计算分析结果，建议对大坝坝基和坝肩进行帷幕灌浆，坝体充填灌浆，形成连续的防渗帷幕；以此改变坝体填筑粘土的内摩擦角和凝聚力系 数，提高坝体的抗剪强度，加强颗粒间的有效应力，进一步地提高坝体的稳定性，从而使坝体达到渗流稳定的要求。