南峰水库坝体渗流稳定计算

2015-08-19高卫瑞荥阳市水务局

河南水利与南水北调 2015年13期

关键词：蓄水位条块坝坡

□高卫瑞（荥阳市水务局）

1 渗流计算

1.1 计算工况

渗流计算应包括以下设计水位组合；上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；上游设计洪水位与下游相应的水位；上游校核洪水位与下游相应的水位；库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

1.2 计算内容及计算方法确定

土石坝设计中，渗流分析为极重要的内容。通过渗流分析可以确定以下渗流特性。

确定坝体浸润线的位置（包括水位降落期间上游坝壳的浸润线位置）；确定渗透流量和渗透压力（包括绕流）；确定坝基平均水力坡降、出逸坡降；确定大坝下游地下水位或剩余水头大小，以便判断下游农田等是否会浸没或受影响。以上特性是进行坝基渗流控制的重要依据，并用以分析坝体的稳定性、确定断面结构、确定防渗体与排水体设施类型及其具体尺寸。

在进行渗流分析时，经研究和确定坝体土料的性质、坝基的水文工程地质特性以及渗流边界条件等，选择恰当的计算模型和计算方法，才能获得正确的渗流分析结果。渗流计算按平面问题进行，不仅符合实际情况，凡从论证大坝安全性已能满足要求。

大坝浸润线特征是:上下游坝壳内的浸润线均接近于水平，渗流经由上游坝壳，并透过心墙后，即沿着心墙后坡集中，并与下游坝壳内的浸润线相衔接。因此大坝的渗透稳定性问题，主要存在于心墙的本身；心墙与岩基以及其他埋设建筑物的接触面；心墙的下游过渡层等部位，其中尤以下游过渡层的渗透稳定性问题突出。结合工程实际，渗流计算内容为:计算正常高水位时最大断面及各控制断面的浸润线及单宽流量。至于渗透稳定计算，坝体将设置反滤层，就是为了防止发生渗透破坏而经计算设计的，所以可不进行渗透稳定校核。

渗流分析方法包括试验法、水力学法、流体力学法、图解法和数值法等。结合渗流计算内容，选择水力学法最为合适。

水力学法：是在平面渗流条件下，研究求解的稳定渗流的一种近似方法。这种方法可以计算坝体的浸润线位置、渗透流量。其计算简单、适用，能满足渗流控制的精度。

据天津大学《水工建筑物》基本假定:渗流在土体内的流动是稳定的，连续的；渗流在土体内的流态是层流并符合达西定律；渗流液体是不可压缩的；在同一种土壤中是各向同性的。

1.3 计算过程

该坝为单一的均质土石坝。由于此次设计的土石坝修建在透水地基上，可以将渗流分析分成两部分，分别计算渗流量：先假定坝基为不透水地基，则坝体中的渗流可以按照不透水地基上的坝体渗流来计算；假定坝体为不透水坝体，再计算坝基中的渗流量；最后，将二者的渗流量相加，则可以得到整个断面的渗流量。

现选择最大坝体断面，并以上游正常蓄水位与下游相应的最低水位组合为例，分别计算如下：

①对坝体进行渗流分析。坝体单宽流量及浸润线方程采用式1 和式2 进行计算。坝体上游挡水三角形换算成等效矩形的宽度为：b=0.40H1=0.40×70.40=28.16m

所以渗流区长度:L=28.16+10+155.65=193.81m

坝体单宽渗流量:

坝体浸润线方程：

式中:q—单宽渗流量，m3/s ·m；H1 和H2—分别为上、下游坝前水深，分别取70.20m 和0m；L—渗流区长度，m；k—坝体的渗透系数，取10-6cm/s；x—计算点至下游面的距离，m。所以，计算结果如表1：

表1 计算结果表

②对坝基进行渗流分析。认为坝体是不透水的，砂卵石地基平均厚度约5m，沿河谷长度取为坝身长379.50m。

式中：q—单宽渗透流量，m3/s·m；k—渗透系数，cm/s；J—水力坡降，无量纲；T—坝基砂卵石厚度，m。坝基砂卵石渗透系数k1=1 ×10-2cm/s=1 ×10-4m/s，截水槽土料渗透系数k2=10-6cm/s=10-8m/s。正常蓄水位时下游无水，设计截水槽底宽10m，边坡1:1.60。地基平均开挖0.50m，砂卵石地基厚4.50m。

不同渗透系数的竖向条带土层可以一等效的均质土层代替，按渗流不变的原则将坝基折算为砂卵石层：

所以坝基渗流量为：q=1 ×10-4 ×6.99 ×10-4 ×4.50=3.15 ×10-7m3/s·m

再把（1）（2）计算出来的结果相加得坝基总渗透流量为：Q=2.54 ×10-7 ×193.81+3.15 ×10-7 ×379.50=1.69 ×10-4m3/s。一昼夜渗水量：1.67 ×10-4 ×24 ×60 ×60=14.50m3

1.4 计算结果分析

一是正常运用与非常运用条件下，上游水深与下游水深之差分别仅为1.37，0.79m，透过均质坝向下游的单宽流量相差不大；二是下游坝壳内的浸润线接近于水平；三是不做渗透稳定分析，本设计中设计了反滤层，基本能保证渗透稳定的要求。四是全坝长均以最大断面渗流量计算，得出的渗流量偏大。

2 稳定分析

稳定计算的目的是保证土石坝在自重、各种情况的孔隙水压力和外荷载作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体和坝基的整体剪切的破坏。按规范的要求：土石坝施工、建设、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算稳定性。控制稳定的有施工期（包括竣工时）、渗流稳定期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，应计算内容如下：一是施工期的上、下游坝坡；二是稳定渗流期的上、下游坝坡；三是水库水位降落期的上游坝坡；四是正常运用遇地震的上、下游坝坡。

由于稳定计算需求出坝坡的最小安全系数及其相应的滑裂面，因此需要计算出每个滑裂面的安全系数。

2.1 手算部分——瑞典圆弧法

对于均质坝，上下游坝坡均为曲线滑裂面。采用瑞典圆弧法进行稳定计算。

式中li—条块的长度，m；bi—条块的宽度,m；c—有效应力的内凝力，kPa；φ—有效应力的内摩擦角，度；αi—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，度；γi—条块的重度，KN/m3。

由基本资料知：c=19.62kPa，φ=31°。

取下游坝坡的滑裂面作为示范计算面，见图1。

图1 稳定计算简图

用手工计算正常蓄水位情况下下游坝坡稳定，其余的用程序计算。按平均坡度1：2 简化计算。滑动面圆心的位置选在坝坡中部上方、坡线中点铅垂线与法线之间半径为L/2 的范围内，其中L 是坝坡在水平面上的投影长度。具体计算结果见表2。

表2 正常蓄水位情况下下游坝坡稳定计算表

由表3可知，工程等级为2 级的坝，在正常运用条件下的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.25，因Fs=1.72>1.25，所以在正常蓄水位下下游坝坡满足稳定，具体见表3。位）与死水位之间的各种水位下的稳定渗流期；②水库水位在上述范围内的经常性的正常降落；③抽水蓄能电站水位的经常性变化和降落。非常运用条件I 系指：①施工期；②校核水位下有可能形成的稳定渗流期；③水位非常降落；④正常运用条件与地震组合。非常运用条件II 指非常运用条件I 的①-③加地震。