施庄水库大坝渗流及稳定性分析

徐怀霞 吴小林（山东省临沂市兰山区花园灌溉所 临沂 276038 山东省临沂市兰山区施庄水库 临沂 276033）

施庄水库大坝渗流及稳定性分析

徐怀霞 吴小林
（山东省临沂市兰山区花园灌溉所 临沂 276038 山东省临沂市兰山区施庄水库 临沂 276033）

针对施庄水库除险加固后的大坝，选取最大坝高断面，依据不同工况，采用理正系列软件的“渗流分析软件”进行渗流计算分析；“边坡稳定分析软件”直接读入渗流计算成果，采用简化Bishop法自动搜索不同滑弧中心和滑弧半径，求得具有最小安全系数的滑动面即为最危险滑动面。可为同类水库大坝降低风险、提高大坝运行安全度提供参考。

施庄水库 土石坝 渗流分析 稳定性分析 简化Bishop法

据统计，水库失事大多是由于渗流和坝坡稳定不合理导致坝坡失稳而造成的。为保证除险加固工程的质量及修复后的土石坝能够安全运行，在加固后对大坝进行渗流和稳定性分析评价是十分必要的。本文对加固后的施庄水库大坝的渗流及坝体抗滑稳定进行了分析计算，指出了通过对大坝进行除险加固工程，极大减少了渗流的不利影响，保证了大坝坝坡的稳定，提高了水库大坝运行的安全性。

1 工程概况

施庄水库位于临沂城北35km李官镇施庄村西蒙河支流朱里河上，西与费区接壤，北与沂南区相邻，是一座以防洪减灾、工业和城镇供水、灌溉为主，旅游、水产养殖等综合利用的中型水库，其工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水洞组成。大坝为南北方向，全长719m，坝基为砂岩，坝型为粘土心墙砂壳坝，坝顶高程112.6m，坝顶宽6m，最大坝高14.8m。坝坡为干砌块石护坡，迎水坡度1∶3，大坝背水坡在高程106.0m设戗台，戗台宽2m，戗台以上坝坡为1∶2.5，戗台以下坝坡为1∶2.75。

大坝除险加固前出现的问题为：大坝心墙填筑质量较差，局部具中等透水性，明显存在隐患，不符合防渗土料技术要求；大坝0+230～0+380段高程108.46～110.30m为砾质粗砂夹层，且上下游贯通，形成了渗漏通道，严重威胁了大坝安全；坝前砂壳填筑较乱，砂、砂壤土混杂，填筑质量较差，特别是0+230～0+470段坝前砂壳存在液化的可能。针对工程特点，2010年对大坝进行了除险加固，全坝段心墙接高，0+216～0+500上游砂壳抗震加固，0+380～0+530坝段坝基渗漏处理，翻修坝脚排水体，坝顶路面、坝顶防浪墙等工程。

2 渗流分析

2.1 计算原理

根据达西定律和连续条件

可得二维渗流方程

式中：vx、vy—x向和y向的渗流流速；

kx、ky—x向和y向的渗流系数；

H—渗流场中某一点的渗压水头。

2.2 计算工况

本文选取最大坝高断面就以下工况进行渗流计算：（1）上游正常蓄水位108.36m与相应的下游最低水位；（2）上游设计洪水位110.29m与相应的下游最低水位；（3）上游校核洪水位111.30m与相应的下游最低水位。各种计算工况下的下游水位，由于无法确定其准确值，计算时均按下游无水来考虑。

2.3 渗流计算

大坝的渗流计算采用北京理正系列软件的“渗流分析计算软件”中的有限元分析法来进行，该软件可以计算坝体内浸润线和渗流量，坝体、坝基内各点的压力水头值、总水头值和水力比降值，绘制压力水头等值线及彩色云图，总水头等值线、彩色云图及各点水力比降彩色云图等。

坝基和坝体各区材料的渗透系数值根据地质勘探资料及室内渗透试验结果综合考虑来确定，各区渗透系数取值见表1。

将坝体的横截面、各土层特性、水位等参数输入理正渗流分析计算软件，选用有限元分析法进行计算。各工况计算成果见表2。

表1 大坝二维稳定渗流分析参数表

表2 各工况渗流分析计算成果表

图1 正常蓄水位工况下最高断面水头等势线图

表3 稳定分析计算参数表

表4 各工况稳定分析计算成果表

限于篇幅，给出正常蓄水位及设计洪水位工况下计算的浸润线、水头等势线分别见图1及图2。

3 稳定分析

稳定分析的目的是保证土石坝在自重、孔隙压力、外荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝基的整体或局部剪切破坏。

3.1 计算原理

坝体边坡稳定性分析方法主要是建立在极限平衡理论基础之上，假设达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。滑裂面上的各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔—库伦强度条件。本文采用简化Bishop法进行坝体稳定计算。

图2 设计洪水位工况下最高断面水头等势线图

简化Bishop法稳定性系数计算公式为：

式中：W—土条重量，浸润线上为天然容重，浸润线下为饱和容重；

u—作用于土条底面的孔隙压力；

α—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；

b—土条宽度；

e—土条的水平力至滑弧中心的力臂；

R—圆弧半径。

3.2 计算工况

坝体边坡稳定计算所取断面与坝体渗流分析断面相同，即为最大坝高断面，计算时根据该坝的实际情况，针对以下4种工况进行计算：（1）上游正常蓄水位108.36m下的下游坝坡与坝基的稳定性；（2）上游设计洪水位110.29m下的上游坝坡与坝基的稳定性；（3）上游设计洪水位110.29m下的下游坝坡与坝基的稳定性；（4）上游校核洪水位111.30m下的下游坝坡与坝基的稳定性。

3.3 抗滑稳定分析计算

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），土石坝在稳定渗流计算工况下，土体的抗剪强度指标应当采用有效应力法计算，根据施庄水库地质勘测报告提供的物理力学指标的建议值并类比相似工程选取各物理力学指标参数值见表3。

坝坡的稳定计算采用理正系列软件的“土石坝边坡稳定分析计算软件”来进行，计算时直接读入相应工况下渗流计算成果，并输入表3中各参数，采用计及条块间作用力的简化Bishop法，自动搜索具有最小稳定安全系数的滑裂圆弧即为最危险滑裂面。本工程大坝边坡抗滑稳定最小安全系数计算成果见表4。限于篇幅，仅给出工况1的计算成果图，见图3。

由表4可见，各计算工况下大坝坝坡的抗滑稳定系数均大于规范要求的最小值，故加固后的大坝抗滑稳定满足要求。

4 结语

（1）除险加固后心墙粘土土料的渗透系数大大减小，并且比坝壳土料的渗透系数小很多，因此在心墙内渗流的水头损失很大，下游坝体浸润线的位置明显降低，在各个计算工况下，坝体浸润线出逸点均在棱体排水体顶部以下，使大坝安全性得以提高，坝体原有渗漏问题得到解决，且计算结果表明不会产生渗流破坏的问题。

（2）通过稳定分析，进行除险加固后的施庄水库大坝坝坡在各种计算工况下的抗滑稳定安全系数均大于规范规定的最小值，其不存在抗滑稳定问题，各工况坝坡稳定均满足规范要求。

（3）大坝渗流和边坡稳定分析中，应注意各参数的正确选择，因参数的确定对结果有很大的影响。土料的渗流系数、有效黏聚力及有效内摩擦角值的选用不仅要注重实验结果，还要考虑到实验与实际存在一定的误差，因此要经过多方面比较来选取，以便更加符合实际工程的需要