WLQ小二型水库大坝渗流稳定计算

◎ 陈瑜 漆文邦 徐凯

WLQ小二型水库大坝渗流稳定计算

◎ 陈瑜1漆文邦1徐凯2

小二型水库在我国数量众多，大多数病险水库建造于上世纪50～70年代，运行到目前为止问题较多。本文以某一小二型水库为研究对象，采用理正软件计算大坝渗流及稳定，可为确定小二型水库大坝病险，提出加固措施提供参考。

工程概况

WLQ水库为小二型水库，枢纽由大坝、溢洪道、输水涵洞三部分组成。水库地处牟定县凤屯镇，所在河流属于龙川江水系中游左岸支流龙川河支流，工程区属于亚热带半湿润高原季风气候区，旱、湿季节分明，降水主要集中在7～10月份。

WLQ水库坝址以上控制径流面积为0.5km2，整个流域大致成扇形，河谷呈V型，具有显著的山区河流特征。大坝为均质土坝，现状坝高28m，坝顶高程1965.50m（平均），坝轴线长约121.93m，坝顶长度122m，坝顶平均宽2.5m，坝顶为土质路面，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.8，上下游无人行梯步，下游设有排水体。水库原设计总库容13.5万m3，为小二型水库，工程设计标准为五等五级。设计洪水标准为二十年一遇，校核洪水标准为二百年一遇。

基于理正软件的渗流稳定分析原理

（1）渗流计算原理。稳定期的计算方法如下：

计算单宽流量的公式为：

在无限深透水地基的情况下，浸润线的计算考虑透水地基的有效深度：

（2）稳定计算原理。大坝稳定计算按有效应力法计算。地震作用力按相关规定进行计算。滑弧土体的地震荷载按拟静力法考虑，在土条上直接作用其地震惯性力只考虑顺河流方向的地震作用。

计算采用简化的毕肖普法计算。

简化毕肖普法：

Fs——安全系数；mai——第 i个条块的计算系数；ai——第i个条块底部的倾角；Wi——第i个条块的重量；Ci——第i个条块的粘聚力；bi——第i个条块的长度；ui——第i个条块的孔隙水压力；'iφ——第i个条块的有效内摩擦角；Qi——第i个条块所受的水平向作用力；ei——第i个条块所受的法向条间力；R——滑面半径。

除险加固前大坝渗流稳定计算

因大坝为均质土坝，首先考虑按均质土坝做坝坡稳定分析计算。根据地质勘探资料及土工试验结果，虽然坝料不均匀，但勘察中找不到坝体分区设计填筑施工的界限，只能区分坝体与基础的层面。

根据坝体填筑土料的物理力学指标，结合坝基情况，稳定计算将大坝坝体、坝基分为三区考虑对应的计算指标，以客观反映大坝的实际情况。具体分区及物理力学指标如下表1、表2。根据规范采用简化的毕肖普法计算各种工况，抗滑稳定最小安全系数为：正常运用：K=1.25；非常运用条件Ⅰ：K=1.15；非常运用条件Ⅱ：K=1.10。

水库常年处于低水位运行，现状日常蓄水高程为1964.00m，以1964.00m为正常蓄水位，计算得设计洪水位1965.01m，校核洪水位1965.39m。

地震设防烈度为Ⅶ，地震动峰值加速度值为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s。

图1 正常蓄水位下坝体的浸润线

表1 土体物理力学指标建议值表

表2 岩体物理力学指标建议值表

表3 正常蓄水位坝体内计算浸润线

表4 坝坡抗滑稳定计算成果表

表5 加固后坝坡稳定复核土料物理力学性指标

大坝在正常蓄水位下的渗流计算结果见图1、表3，各种工况下大坝的抗滑稳定计算结果见表4。

由计算结果可知，在正常蓄水位下，坝体及坝基单宽日渗流量Q0 =0.214m3/m.d，大坝坝体坝基年平均渗漏量估算约9529.42m3，约占正常库容的8.36%。存在较大渗流问题。坝体下游坡浸润线逸出点出逸坡降J=0.473（Gs=2.71 n=0.401），坝体下游顺坡面临界坡降为1.024。考虑大坝土料特性，渗透安全系数取K=2，相应容许坡降为[J]= 0.512，由于J＜[J]，在浸润线逸出点不发生渗透变形。

WLQ水库因上下游坡度较陡，坝高较大，上游校核水位降至死水位、下游正常蓄水位、设计水位、正常蓄水位加7度地震、校核水位工况下相应的抗滑稳定安全系数均小于相应的规范值，水库存在抗滑稳定安全问题。

除险加固措施

上游坝坡按1∶2.0进行黏土料培厚，下游坝坡按1∶2.0进行风化料培厚；整平水库大坝坝顶，坝顶设2%横坡倾向下游。上游坝坡清除植物根系层，在下游铺设黏土料，然后铺设矩形混凝土护面（厚100mm），在面板中下部各设一道混凝土齿墙，新建上坝梯步。下游在坝坡中部增设马道和排水沟，坝面重新植种优质草皮支护，坝面下部新建下坝梯步、排水沟和贴坡排水。

大坝渗漏是由于大坝坝基清淤不够彻底、坝体填筑质量较差、坝体土层渗透系数偏大等原因造成的。因此可对大坝坝体采用充填灌浆，并深入坝基1.5m的防渗处理方案，充填灌浆底部高程为坝基以下1.5m，灌浆上限为1965.50m高程（现坝顶高程）；大坝坝基采用帷幕灌浆，并深入坝基10Lu线以下的防渗处理方案，灌浆上限为1965.50m高程（现坝顶高程）。坝体充填灌浆沿坝顶坝轴线布置两排灌浆孔，孔距1.5m，从左坝肩至右坝肩，全长122m。坝体帷幕灌浆沿坝顶坝轴线布置两排灌浆孔，孔距3.0m，从左坝肩至右坝肩，全长122m。防渗灌浆在放空库水位后进行，灌浆完成后再行坝顶路面施工。充填灌浆和帷幕灌浆各项技术参数在灌浆前尚需在施工初期通过灌浆试验调整和确定。

表7 加固后土坝安全系数复核成果

除险加固后的大坝渗流稳定分析

除险加固后根据坝址地质剖面和各层基础物理力学指标，大坝渗流稳定计算参数见表5，大坝除险加固后渗流稳定计算结果见表6。

表6 渗流计算结果

根据计算结果可知，大坝加固后，各种计算工况下大坝的渗透坡降均小于允许渗透坡降0.512，大坝局部渗流是稳定的，不会发生渗透破坏；渗流量与加固前相比有所减少。大坝上下游在各种工况下的抗滑稳定安全系数计算值都大于相应的规范值，说明除险加固措施正确有效。

对于小二型水库的除险加固是为了防止事故的发生和更好的利用水库资源，而除险加固工程的设计是对除险加固工程施工起主导性作用的，通过分析发现大多数的问题水库都是坝体的问题。对小二型水库除险加固过程中，做好大坝的渗流稳定分析，针对相应问题提出加固措施，有利于水库的高效除险加固。

1.四川大学水利水电学院；2.四川蜀禹水利水电工程设计有限公司)