东母沟水库大坝渗流及稳定计算分析

陈小洪

摘要：本文以西山区东母沟水库为例，采用里正岩土系列软件及STAB2008土石坝边坡稳定分析程序对大坝进行渗流及稳定分析计算，以确定大坝在计算工况下的单宽渗漏量、浸润线出逸点位置及对应的渗透比降、大坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数是否满足规范要求，大坝抗滑稳定是否安全。其成果可为同类工程的大坝安全鉴定和除险加固设计提供参考依据。

关键词：水库、大坝、渗流、稳定

1 工程概况

东母沟水库位于长江流域普渡河水系螳螂川河支流桃树箐河上，隶属西山区海口镇管辖，坝址地理座标为：东经：102°29′51″，北纬：27°26′48″。水库控制径流面积13.1km2，总库容65.15万m3，兴利库容19.83万m3，有效灌溉面积160亩，是一座以防洪为主、兼顾灌溉、下游工况企业用水的综合水利枢纽工程。

水库大坝为均质土坝，最大坝高20.5m，坝顶宽6.4m，壩轴线长294m，上游坝坡坡比为1:2.42～1:2.64，下游坝坡坡比为1:2.32～1:2.76。由于筑坝土料不均匀，碾压不密实,施工质量差，导致坝体渗漏较为严重，正常蓄水位下浸润线出逸点偏高，后坝坡大面积散浸，大坝存在渗漏异常，严重威胁下游人民生命财产安全，急需进行除险加固处理。

2 大坝渗流分析

2.1 计算断面与参数选取

因现有地质资料有限，未能建立三维的数字计算模型，因而最终采用大坝横剖面二维有限元渗流计算，计算软件采用北京理正渗流分析软件。

渗透系数的选取，实际上是随着反演计算的逐步逼近、不断取舍、逐渐收敛而确定的。其具体过程为：先以钻孔标注的渗透系数按有限透水地基上的均质土坝分区反推现行库水位时坝体浸润线，再以钻探期的库水位和钻孔标注初见稳定水位进行反演计算坝体浸润线，通过两条曲线的对比，以寻求最佳拟合状态的渗透性分区；然后再以此渗透系数分区为基础进行其它特征水位下大坝渗流计算分析。

2.2 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）以及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的规定，结合东母沟水库的具体情况，大坝渗流分析计算包括以下几种水位组合情况（由于校核洪水位已经高于现状坝顶高程，不进行计算）：

①死水位（1939.00m） + 下游水位（取地面高程）；

②正常蓄水位（1942.00m） + 下游水位（取地面高程）；

③设计洪水位（1944.50m） + 下游水位（取地面高程）。

2.3 计算结果

计算得到的坝体单宽渗漏量及坝坡出逸点渗透坡降成果见下表。

坝体和坝基渗漏量统计表

计算工况 单宽渗流量（m3/d/m）

坝体 坝基 坝体+坝基

死水位（1939.00） 1.03 0.74 1.77

正常蓄水位（1942.00） 1.42 1.03 2.45

设计水位（1944.50） 1.85 1.21 3.06

渗透稳定分析成果表

计算工况 出逸点水力坡降 临界坡降i cr 允许水力坡降[i]

死水位（1939.00） J正常=0.651 0.912 0.456

正常蓄水位（1942.00） J设计=0.742 0.912 0.456

设计水位（1944.50） J校核=0.781 0.912 0.456

2.4 坝体的渗透稳定

根据提供的土样试验报告，首先将试验得到的土料的孔隙比换算为孔隙率，然后采用《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）中的判别方法，根据土料颗粒分析统计可知，土料的细粒含量为：

式中： 为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计； 土的孔隙率。

由此可见，土料的细粒含量大于35%，同时不均匀系数大于5.0，故其渗透变形破坏为流土型。流土型的临界水力坡降由下式计算：

式中： 为土的临界水力比降； 为土的颗粒密度与水的密度之比； 为土的孔隙率。

Jcr=（2.72－1）（1－0.47）=0.912

计算得到坝体的临界水力坡降为0.912，由于流土破坏为整体性破坏，对大坝危害较大。

允许的渗透坡降按下式计算：

取安全系数 （取值范围为1.5～2.0）为2.0，则可得坝体允许的渗透坡降 为0.456。

3 大坝抗滑稳定分析

3.1 基础参数的选定

地质勘察工作共钻孔7个，总进尺224m，压注水试验45段，标贯试验20次，取原状土样11组。据钻孔勘探资料，大坝坝体为含砾粉质粘土，坝基上部第四系冲洪积砂卵砾石层；下伏地层为第三系含砾粘土及大海段、中谊村段白云质磷块岩、粉砂质白云岩。因此，根据大坝坝体、坝基岩（土）体的物质组成，将大坝划分为五个区，各区土料及坝基岩（土）体的物理力学特性分述如下：

Ⅰ区：为现状坝体，根据勘察资料筑土料主要为含砾粉质粘土，取原状土样试验,平均干密度rd=1.45g/cm3，比重Gs=2.72，孔隙比e=0.888，孔隙率n=47.0%，压缩系数a0.1～0.2=0.38MPa-1，属中等压缩性土，据钻孔内注水试验资料，渗透系数为7.1×10-4～2.8×10-4cm/s，属中等透水层，内摩擦角15.0°，凝聚力20kPa。

Ⅱ区：为坝基上部第四系冲洪积砂卵砾石层，室内试验分析，天然密度1.89g/cm3，饱和密度1.97g/cm3，凝聚力18.0kPa，内摩擦角17.0°，渗透系数为7.1×10-4～5.8×10-4cm/s，属中等透水层。

Ⅲ区：坝基中部第三系含砾粘土，取原状土样试验, 平均干密度rd=1.56g/cm3，比重Gs=2.72，孔隙比e=0.628，孔隙率n=38.6%，压缩系数a0.1～0.2=0.27MPa-1，属中等压缩性土；据钻孔内注水试验资料，渗透系数为8.4×10-4～1.43×10-4cm/s，属中等透水层，内摩擦角18.0°，凝聚22.0kPa。

IV区：坝基下部白云质磷块岩、粉砂质白云岩，岩石全～强风化，相对隔水层顶板埋深（q≦10.0lu）40.0m，天然密度2.20g/cm3，饱和密度2.25g/cm3，凝聚力40.0kPa，内摩擦角24.0°，渗透系数为9.12Lu～15.25Lu，属中等、弱透水层。

V区，库区内淤积，根据工程类比，天然密度1.55g/cm3，饱和密度1.55g/cm3，凝聚力17.0kPa，内摩擦角5.0°，渗透系数为1×10-5cm/s，属、弱透水层。

坝体稳定计算物理力学参数容重取算术平均值，凝聚力和内摩擦角取用小值均值。

3.2 计算原理

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96），坝坡的稳定分析采用简化毕肖普有效应力法计算，其稳定安全系数按下列公式计算：

式中： —安全系数；

—土条重量；

—水平地震惯性力；

—作用于土条底面的孔隙压力；

—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

—土条宽度；

、 —土条底面的有效应力抗剪强度指标；

—水平地震惯性力对圆心的力矩；

—圆弧半径。

3.3 稳定分析成果

对大坝上、下游坝坡抗滑稳定进行分析计算,采用实测剖面对水库运行中可能发生的工况进行计算，计算成果见下表：

东母沟水库大坝稳定分析成果表

工作条件 序号 计算工况 毕肖普法

抗滑安全系数 规范允许值

正

常

运

用

Ⅰ 上游 1 设计洪水位1944.50m 2.389 1.25

2 正常蓄水位1942.00m 2.060 1.25

3 死水位1939.00m 1.766 1.25

4 正常蓄水位1942.00m缓降至死水位1939.00m 1.683 1.25

下游 5 设计洪水位1944.50m 0.900 1.25

6 正常蓄水位1942.00m 0.993 1.25

7 死水位1939.00m 1.104 1.25

非

常

运

用

Ⅱ 上游 8 设计洪水位1944.50m +8°地震 1.520 1.10

9 正常蓄水位1942.00m +8°地震 1.407 1.10

10 死水位1939.00m +8°地震 1.302 1.10

11 正常蓄水位1942.00m缓降至死水位1939.00m +8°地震 1.247 1.10

下游 12 设计洪水位1944.50m +8°地震 0.723 1.10

13 正常蓄水位1942.00m +8°地震 0.807 1.10

14 死水位1939.00m +8°地震 0.898 1.10

正常蓄水位无地震工况下的最危险滑弧位置如图2。

4、结论

通过对东母沟水库大坝进行渗流及稳定分析计算，结果表明：该坝浸润线较高，各计算工况下浸润线出逸点渗透比降均大于渗透变形允许的水力比降，大坝坝体渗流不稳定；大坝上游坝坡在任何工况下抗滑稳定安全系数均大于规范值，下游坝坡在任何工况下抗滑稳定安全系数均小于规范值，大坝抗滑稳定不满足规范要求，抗滑稳定不安全。需要对大坝进行除险加固处理，提高坝体防渗能力和抗滑稳定。

参考文献：

[1]《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）；

[2]《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）；

[3]《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）；

[4]土质边坡稳定分析—原理•方法•程序[M] 中国水利水电出版社；

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。