某土石坝渗流稳定分析及安全评价*

张献才 张建伟

1 工程概况

某大坝坝址控制流域面积为57.92 km2。水库正常蓄水位为974.60 m,校核洪水位为 979.02 m,死水位 962.5 m;总库容297.26万m3(原始库容),正常蓄水位以下库容 150万 m3(水库运用30年情况),死库容11.60万m3(水库运用30年情况),兴利库容138.43万m3(水库运用30年情况)。

2 计算断面的选取

本次渗流计算分析,大坝典型断面选取主河槽处最大坝高断面,根据该大坝地质勘察报告提供地质参数计算,大坝断面为透水地基上的有棱体排水的均质土石坝,上游坝坡为 1∶2.75,下游边坡为 1∶2.5,在上下游坝面968.20 m高程处各设置一马道,马道宽2 m,大坝断面见图1,计算参数见表1。

表1 各层材料力学参数表

3 允许渗透坡降计算

3.1 渗透坡降计算

下游排水体失效时,浸润线将从下游坝坡逸出,并假定发生渗漏时的下游水位为0 m。

渗透坡降计算采用有限元二维渗流方法,土层渗透系数按各向同性考虑。取坝体最大断面进行渗流计算。

渗透坡降J计算公式按照达西定律基本公式[1]:

式中:J——渗透坡降;

L——渗透途径长度;

ΔH——上下游水头差。

3.2 发生流土的临界渗透坡降计算

式中:Ja——临界坡降;

γs——土体容重;

γ0— — 水容重;

n——孔隙率。

计算发生流土的临界渗透坡降Ja=0.51,即坝体允许渗透坡降J＜0.69,坝基允许渗透坡降根据《水工设计手册》[2]中选取,取0.48。

3.3 渗流量及渗流水深计算

大坝渗流量及渗流水深(参考《水工设计手册》第三卷)用下列公式计算:

有限透水地基均质土坝:

其中,q为通过坝体及坝基的渗流量;qd为通过坝体的渗流量,按不透水地基上的均质土坝计算;h0为大坝渗流量计算中渗流水深;m2为大坝下游坡比;m1为上游坡比;a为出逸点与下游水位高差;T为有限透水地基厚度;H1为上游水深;H2为下游水深;L为渗径;k为坝体渗透系数;k0为坝基渗透系数。

表2 大坝渗透坡降计算成果表

4 安全分析

4.1 渗透坡降计算成果

渗透坡降计算成果见表2。

由表2可以看出大坝在各种工况下的渗透坡降均小于允许渗透坡降,大坝不存在渗透变形破坏。

4.2 各种工况下浸润线位置

各种工况下浸润线位置见图2。

各种工况下浸润线坐标见表3～表5。

表3 校核洪水位情况下,浸润线坐标表(以上游坡脚为坐标原点)

5 结语

表4 设计洪水位情况下,浸润线坐标表(以上游坡脚为坐标原点)

表5 兴利水位情况下,浸润线坐标表(以上游坡脚为坐标原点)

土石坝的渗流稳定分析一直是土石坝坝工建设与管理中所面临的重要研究内容之一,通过对某土石坝的典型断面进行二元渗流分析,选取校核洪水位、设计洪水位、兴利水位为三种计算工况,计算结果表明大坝在各种工况下的渗透坡降均小于允许渗透坡降,大坝不存在渗透变形破坏,并同时确定了该工况下的浸润线位置。

[1]吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社,2008.

[2]华东水利学院.水工设计手册[M].北京:水利电力出版社,1983.

[3]曹高文.浅谈张峰水库大坝基础帷幕灌浆[J].山西建筑,2008,34(32):363-364.