长青水库大坝渗流及稳定分析

张晓元 宋思敏 李长城

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室 武汉市 430072）

前言

长青水库位于湖南省郴州市苏仙区，距郴州市城区11 km。坝址以上水库承雨面积17.5km2，流域多年平均降雨量1534mm，水库校核洪水位220.41m，设计洪水位219.68 m，正常蓄水位218.00m，死水位195.50m，总库容1602万m3，是一座兼有灌溉、防洪、发电等综合利用的中型水库。

水库大坝为粘土心墙坝，坝顶高程222.0m，坝高32.4 m，大坝全长201m。在水库运行过程中，根据水库大坝渗漏量资料显示，库水位增高，渗漏量增大，库水位降低渗漏量相应减少，1996年以后渗漏量有明显增大的趋势，明显出现了异常渗漏，2005年6月24日，长青水库大坝在遭遇暴雨且水库水位较高时，大坝坝顶靠下游侧在粘土心墙和下游坝壳体的结合面处出现的一条基本上贯穿整个坝顶的裂缝，显示大坝存在着严重的安全隐患。

鉴于长青水库大坝存在的异常渗漏及结构安全隐患问题，笔者根据其工程地质状况对大坝存在问题的坝段进行了渗流及稳定计算分析。

1 渗流分析

1.1 计算方法及计算参数

渗流计算采用有限元方法进行平面渗流计算，采用理正渗流分析软件进行计算。

计算断面选择大坝最大坝高断面。该断面包含该坝址的所有地质情况，具有较可靠的地质钻孔资料和试验结果，因此确定以该断面作为代表性断面进行计算。大坝计算断面见图1。

图1 大坝最大坝高断面图

渗透系数根据地质勘探资料取值见表1。计算工况对应水位见表2。

表1 长青水库大坝渗透系数及允许渗透坡降值

表2 计算工况对应水位

长青水库水位从校核洪水位～正常蓄水位骤降随时间变化的过程按表3取值。

表3 长青水库水位从校核洪水位～正常蓄水位骤降过程计算取值

正常蓄水位～死水位降落主要考虑水库需要放空时的工况，水库放空一般可采取在一段时间内逐渐放空，放空时间一般较长，长青水库的放空时间取42天。水库水位从正常蓄水位～死水位降落随时间变化的过程按表4取值。

表4 长青水库水位从正常蓄水位～死水位降落过程计算取值

校核洪水位～死水位降落主要考虑水库遭遇校核洪水时，又发生输水隧洞闸门破坏的情况，按实际泄流能力泄流。水库水位从校核洪水位～死水位降落随时间变化的过程按表5取值。

1.2 计算结果及分析

对于上述给定渗透系数和上下游水位条件，采用有限元方法对大坝计算断面进行了恒定渗流和非恒定渗流计算。表6列出了用有限元方法计算得出的长青水库大坝单位长度坝体和坝基的恒定渗流量及大坝心墙下游面、下游坝壳溢出处的渗透坡降。

表5 长青水库水位从校核洪水位～死水位降落过程计算取值

表6 长青水库大坝单位长度恒定渗流量及溢出处的渗透坡降

图2和图3分别为用有限元方法计算得出的大坝最大坝高断面在正常蓄水位和校核洪水位工况下恒定渗流的测压管水头等值线图。

图2 大坝最大坝高断面正常蓄水位测压管水位等值线图

图3 大坝最大坝高断面校核洪水位测压管水位等值线图

图4为用有限元方法计算得出的大坝最大坝高断面在水库水位从正常蓄水位降落至死水位非恒定渗流工况下不同时刻的水面线位置图。

图4 大坝最大坝高断面正常蓄水位～死水位降落水面线变化过程图

从表6所列用有限元方法计算得出的长青水库大坝单位长度坝体及坝基恒定渗流量基本正常。数据显示：心墙下游面的最大渗透坡降为0.8，由于心墙两侧均设置了反滤层，因此，在正常的渗流情况下，心墙下游面不会发生渗透破坏；在下游坝壳出溢处的最大渗透坡降为0.4，下游坝壳出溢处渗透坡降均不大于允许渗透坡降（下游坝壳允许渗透坡降为0.4），不会出现渗透破坏现象。

2 大坝下游坝坡抗滑稳定计算

由于大坝为心墙土坝，对于大坝坝坡的整体稳定分析，根据《土工原理与计算》[1]、《碾压式土石坝设计规范》[2]，可采用简化毕肖普方法计算坝坡抗滑稳定安全系数，并在计算中计及渗流水压力的影响。

物理力学指标据地质勘察资料确定，物理力学参数见表7，其中堆石棱体材料容重取21kN/m3，凝聚力为0，摩擦角为35°。

表7 长青水库大坝填土物理力学参数取值

分别对上游水位为正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位几种工况进行了上下游坝坡的抗滑稳定分析。各种计算工况下的坝坡最小抗滑稳定安全系数列于表8。

表8 长青水库大坝断面坝坡稳定计算成果

表8所列成果表明：长青水库大坝上、下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数远小于规范允许值，坝坡不能满足稳定要求。由于渗流的作用，上游坝坡在遭遇水库水位大幅度降落时 （如水库水位从正常蓄水降落至死水位及从校核洪水位降落至死水位），坝坡抗滑稳定安全系数减小较多，此时上游坝坡严重失稳，应避免这种工况的发生。渗流对下游坝坡抗滑稳定安全系数的影响亦较大。

3 结语

本文通过对长青水库大坝最大坝高断面进行渗流计算，得出了计算断面测压管水头等值线图、单位长度坝段恒定渗流量及心墙和下游坝壳的溢出坡降。计算结果表明：在各种渗流作用下，心墙的溢出坡降较大，但由于心墙下游侧设置了反滤层，因此，不会产生渗透破坏；下游坝壳的溢出坡降小于土体的允许渗透坡降，不会产生渗透破坏。但是，从图1可以看出，长青水库大坝心墙下游侧上部未设反滤层，因此，在遭遇持续暴雨引起的渗流状态，则心墙下游侧可能产生渗透破坏。

通过对长青水库大坝最大坝高断面进行抗滑稳定计算，得出了计算断面上下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数。计算结果表明：长青水库大坝上、下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数远小于规范允许值，坝坡不能满足稳定要求。由于渗流的作用，上游坝坡在遭遇水库水位大幅度降落时（如水库水位从正常蓄水降落至死水位及从校核洪水位降落至死水位），坝坡抗滑稳定安全系数减小较多，此时上游坝坡严重失稳。渗流对下游坝坡抗滑稳定安全系数的影响亦较大。

通过对长青水库大坝的渗流及抗滑稳定分析，揭示出渗流对于土坝坝坡的抗滑稳定影响很大，对任何土坝坝坡进行抗滑稳定分析时必须考虑渗流的影响。

1 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社，1996 .

2 中华人民共和国水利部.碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2002 .