任庄水库大坝渗流及坝坡稳定计算分析

高 超

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

任庄水库大坝渗流及坝坡稳定计算分析

高 超

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

任庄水库防洪任务艰巨，大坝的安全至关重要。现状土坝坝体密实度不高且不均匀，内部存在多处软弱带，其坝坡稳定计算较为复杂。本文主要介绍了该土坝的渗流及坝坡稳定计算情况，并对计算参数选取及计算结果进行了合理性分析，最后判定该坝体不安全，水库属病险库，应尽快进行除险加固。

土坝；渗流计算；坝坡稳定分析

1 工程概况

任庄水库位于山西省晋城市泽州县高都镇任庄村南的丹河干流上，距晋城市区20km，系黄河流域沁河水系丹河干流上的一座以防洪为主，兼顾灌溉、供水的中型水库，水库控制流域面积1298.6km2，总库容8050万m3。水库担负着晋、豫两省三市（晋城市、焦作市、沁阳市）的防洪任务，并承担泽州县2.4万亩耕地的灌溉任务和晋城市的供水任务。

枢纽工程由大坝、正常溢洪道、非常溢洪道和放水涵洞四部分组成。

任庄水库为碾压土坝，最大坝高35.3m。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000），确定工程规模为中型水库，工程等别为Ⅲ等。主要建筑物大坝、溢洪道、放水涵洞为3级，次要建筑物为4级，临时性建筑物为5级。大坝设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。坝址区地震基本烈度Ⅵ度。

水库正常蓄水位765.36m，汛限水位762.86m，设计洪水位（P=2%）773.91m，校核洪水位（P=0.1%）776.20m，死水位761.00m。

任庄水库大坝始建于1959年10月，1960年3月竣工并投入使用。水库现状坝高35.3m，坝顶宽5m，坝顶有高1.1m的防浪墙。大坝上游平均坝坡1∶2.75，下游坝坡1∶2.5。受当时施工机械条件的限制和冬季施工的影响，坝体密实度不高且不均匀，内部存在多处软弱带。

2 计算参数及工况

2.1 渗流计算

2.1.1 渗流计算参数

渗流计算参数考虑地质专业成果，并根据坝体实测浸润线反算校核和修正各项参数综合确定，见表1。

表1 任庄水库渗流稳定计算参数

2.1.2 渗流计算工况

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）8.1.2的规定，渗流计算应包括以下4种水位组合情况：

a.上游正常蓄水位与下游相应的最低水位。

b.库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

c.上游设计洪水位与下游相应的水位。

d.上游校核洪水位与下游相应的水位。

根据水库的运行条件可知，水库在校核洪水位蓄水时间较短，坝体形不成稳定渗流；任庄水库现状水位已经较低，接近空库运行，因此库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况对于现状大坝不进行计算；综上情况，现状坝体可只对第1种水位组合情况进行渗流稳定分析。

2.2 坝坡稳定计算

2.2.1 坝坡稳定计算参数

坝体土的抗剪强度指标见表2。

表2 坝体土的抗剪强度指标

2.2.2 坝坡稳定计算工况

任庄水库大坝为3级建筑物，坝址区地震设防烈度为6度。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001），大坝上、下游坝坡稳定计算考虑以下几种工况：

工况1：施工期的上、下游坝坡。

工况2：正常蓄水位下稳定渗流期的下游坝坡。

工况3：设计洪水位下稳定渗流期的下游坝坡。

工况4：水库水位降落期的上游坝坡。

工况5：正常运用遇地震的上、下游坝坡。

任庄水库现状大坝稳定计算，不存在施工期的上、下游坝坡稳定计算；坝址区地震设防烈度为6度，故可不进行地震工况计算；由于现状水库一直为带病运行状态，水位一直较低，已接近空库运行，可不做水库水位降落期的计算。另外，水库淤积严重，坝前淤积高度已大于坝高的1／3。故此次计算只对现状坝体正常蓄水位下稳定渗流期的上、下游坝坡稳定进行计算。

3 计算过程

3.1 计算断面选择

计算断面选择最不利且有代表性的断面，即采用最大坝高断面（桩号0+240）。

3.2 计算方法及原理

a.渗流计算方法。采用数值计算法（有限元）进行计算，有限元法的计算原理如下。

雅可布（1950年）根据质量守恒原理及考虑介质和水体的压缩性给出的公式为

考虑水和土全是不可压缩时，上式变为

将达西定律：Vx=-Kx，Vy=-Ky，Vz= -Kz代入式（2），得稳定渗流的微分方程为

对于非稳定渗流将考虑介质和水体的压缩性进行推导。将达西定律代入式（1），得非稳定渗流的微分方程为

式中 h——测压管求得的水头；

x，y，z——平面坐标；

Kx，Ky，Kz——x，y，z轴方向的渗透系数；

ρ——水的密度；

n——土体的孔隙率；

a——压缩模量；

g——重力加速度；

β——水的压缩性；

t——时间。

本次计算为平面二维计算，不涉及式中的z。

b.坝坡稳定计算方法。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001），坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法。对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普法；对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙的坝坡稳定分析及任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿-普赖斯等方法。任庄大坝存在软弱夹层，因此采用摩根斯顿-普赖斯法进行计算，同时用计及条块间作用力的简化毕肖普法进行参考校核。

摩根斯顿-普赖斯法和简化毕肖普法的计算原理及公式见《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）附录D.2。

3.3 软件计算

采用“AutoBank 7.08版”软件进行渗流分析计算和边坡稳定分析。

4 计算结果

4.1 渗流计算结果

计算浸润线如图1所示。计算结果见表3、表4。

图1 现状坝体正常蓄水位时的浸润线

表3 现状坝体渗流量计算结果

表4 现状坝体渗透稳定计算结果

经计算，水库正常蓄水位时坝体浸润线出逸高程752.10m，坝体和坝基的渗漏量约2085m3／d。坝体内部渗透比降接近允许比降，坝体和坝基的出逸部位渗透比降大于允许比降，渗透稳定不安全。

4.2 坝坡稳定计算结果

图2为坝坡稳定计算图，计算结果见表5。

图2 正常蓄水稳定渗流期坝坡稳定计算

表5 现状坝体坝坡稳定计算结果

采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算，稳定期上、下游的坝坡稳定安全系数分别为1.501和 1.214，与摩根斯顿-普赖斯法计算的结果相差不大。

正常蓄水位稳定渗流期，下游坝坡稳定安全系数小于允许值，不安全。

5 合理性分析

由计算结果可知，坝体出逸部位与坝基出逸段的渗透比降大于相应的允许比降，渗透稳定不安全，因此需要采取相应措施保证坝体和坝基的渗透稳定安全。计算水位采用实际水位764.50m时的计算浸润线与实测浸润线基本吻合，说明此次计算所采用的渗透系数等参数基本合理，符合实际。该渗透系数考虑了现状坝体土渗透系数的各向异性，垂直渗透系数小于水平渗透系数。另外，计算模型根据此次勘查成果考虑了坝体内实际存在的多条软弱带，其对坝体的渗流和坝坡稳定都有影响，故计算结果符合实际情况。

6 结 语

任庄水库防洪任务艰巨，水库现状坝体内部渗透比降接近允许比降，坝体和坝基的出逸部位渗透比降大于允许比降，渗透稳定不安全；大坝下游坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求，不安全。水库已属于病险库，急需进行除险加固处理。建议对该坝基设置防渗墙，下游增设排水棱体，上堵下排；坝体加固培厚，保证坝坡稳定。希望本文对坝体内部存在软弱带的土坝渗流及坝坡稳定计算有一定的参考作用。

［1］ SL 274—2001碾压式土石坝设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［2］ 毛昶熙.渗流计算与控制［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2003.

［3］ 关志诚.水工设计手册：第6卷土石坝［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2014.

Analysis on dam seepage and dam slope stability calculation in Renzhuang Reservoir

GAO Chao
（Shanxi Hydroelectric Investigation＆Design Institute，Taiyuan 030024，China）

Renzhuang Reservoir has hard flood control task.Whether the dam is safe or not is very important.Current earth dam degree of density is low and uneven.There are many weak belts in the dam.The dam stability calculation is more complicated.In the paper，dam seepage and dam slope stability calculation condition are mainly introduced.The rationality of calculation parameter selection and calculation results is analyzed.Finally，it is determined that the dam body is not safe，the reservoir is risky.Risks should be removed for reinforcement as soon as possible.

earth dam；seepage calculation；dam slope stability analysis

TV223

A

1673-8241（2016）09-0067-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.09.016