土坝渗流及稳定分析在水库除险加固工程中的应用

温 州，杨鸿刚，赵玉新

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 土坝的渗流及渗透稳定计算方法

目前，对于土坝的渗流计算方法分为有限元法和公式法，根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189—96)，针对小型水利工程可采用简单实用的公式法进行计算。对于透水地基渗流计算采用公式如下:

式中:q 为总单位宽度渗流量，m3/s·m;qD为不透水堤基上求得相同排水的单位宽度渗流量，m3/s·m;k 为坝身渗透系数，m/s;k0为坝基渗透系数，m/s;H1为上游水位，m;H2为下游水位，m;h0为下游逸出点高程，m;m1为上游坡坡率;m2为下游坡坡率;T 为透水地基的深度。

浸润线方程为:

通过计算，可求得特征水深h0。

不透水地基均质土堤坡面渗流比降计算:

渗出点:

堤坡与不透水面交点:

坝坡的抗冲刷能力计算:

坝坡抗冲刷破坏的临界比降计算:

式中:γ′为土的浮容重;γw为水的容重;γ 为土的湿容重;φ 为土的水下内摩擦角;β 为坝坡的坡角;c 为土的凝聚力;K 为安全系数。

2 土坝的边坡稳定计算方法

目前广泛被采用的边坡稳定计算方法有瑞典条分法、简化的Bishop 法及JanBu 法等。针对小型土坝工程，可采用考虑条块间作用力的简化Bishop 法进行坝坡稳定分析。计算公式如下:

式中:W 为土条重量;Q、V 为分别为水平和垂直地震惯性力(向上为负，向下为正);μ 为作用于土条底面的孔隙压力;α 为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角;b 为土条宽度;c′、φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标;Mc 为水平地震惯性力对圆心的力矩;R 为圆弧半径。

3 工程实例

文章针对某均质土坝的除险加固工程，采用上述渗流及边坡稳定分析方法对土坝进行计算。该土坝坝顶宽度约6m，最大坝高约12m，坝顶长度290m，上游边坡1:1.8 ～1:3.5，下游边坡1:2 ～1:3。坝体上下游无护破，坝体断面极不规整，坝轴线曲折、现状坝坡不规则，上下游坝坡受水流冲蚀破坏严重、坝后无排水设施。其渗流计算参数见表1:

表1 渗流计算参数表 kN·m－3

渗流计算下游出逸点高度h0按透水地基考虑，据式(1)、(2)求出;下游坝坡渗透比降按不透水地基考虑，据式(3)、(4)求出，再由式(5)、(6)求得下游坡的允许渗透比降。渗流计算结果见表2。

表2 坝后坡渗流计算成果表

通过计算可以看出，坝后坡渗流出逸点较低，坝后坡出逸比降大于允许比降，故本次设计在下游坡坡脚处加设一层无纺布作为反滤层，防止在坡脚处出现流土等现象。土坝坝坡稳定计算应用理正软件程序，采用简化的Bishop 法，在渗流分析的基础上将孔隙水压力场引入到边坡稳定计算中，由试验得出有效抗剪强度指标c′、φ，采用有效应力法进行稳定渗流期的边坡稳定分析。其物理力学指标见表3:

表3 计算采用的土质物理力学指标表

采用的计算代表断面为0+250，现状断面上游坡比 为1∶1.5 ～1∶1.2.25，下 游 坡 比 为1∶1.67 ～1∶2.6，分别对现状各种工况进行稳定计算，计算成果见表4。根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189—96)，采用本次设计的上游坡为1:2.5、下游坡为1∶2.0时，计算结果均满足抗滑稳定最小安全系数正常运用条件下K ≥1.25;而现状坝坡均不满足规范要求，因此，本次的设计坝坡是可行的。当上游坝坡陡于1∶2.5时，放缓至1∶2.5;当下游坝坡陡于1∶2.0时，放缓至1∶2.0。

表4 坝坡稳定计算成果表

4 结 论

文章采用渗流计算中的公式法对实际工程中的土坝进行计算分析，得出下游坡脚处渗透比降＞允许渗透比降，需要在坡脚处进行反滤设计。采用简化Bishop 法并考虑孔隙水压力的影响，应用有效应力法对坝坡在各种工况下进行稳定分析，得出现有坝坡不满足抗滑稳定要求，而本次设计采用的坝坡符合规范对抗滑稳定最小安全系数的要求。为工程的实施提供了理论依据。

［1］陈刚.水库土坝渗流稳定分析及除险加固措施［J］.黑龙江水利科技，2014，42(02):67－69.