浅谈磨刀坑水库大坝渗流稳定计算分析
2020-08-03潘金玲
潘金玲
(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)
1 概 述
根据相关规定要求，水库大坝每隔几年都需要组织专门的安全鉴定。因此，每隔几年，各地就会有一大批水库需要进行安全评价的工作，安全评价中被评为二类或三类坝的水库都需要进行除险加固，无论是水库大坝安全评价还是除险加固项目都需要进行水库大坝的渗流稳定计算，面对大量的计算工作，如何快速、准确地进行渗流稳定计算，是文章的重要内容[1]。
2 工程实例
2.1 工程概况
磨刀坑水库位于恩平市横陂镇南华村委会管辖区内，水库集雨面积为3.13km2，水库的总库容为311万m3，是一座以灌溉为主，兼顾防洪等综合利用的小(1)型水库。经计算复核，水库正常蓄水位41.50m(珠基，以下同)，相应库容278.50万m3；设计洪水位41.71m(P=3.33%)，相应库容288万m3；校核洪水位42.25m(P=0.33%)，相应库容311万m3；死水位31.76m，相应库容31.55万m3。磨刀坑水库主要水工建筑物有均质土坝五座，溢洪道一座，输水涵管一座。由于该水库大坝数量较多，因此，文章只选取主坝进行分析计算。
2.2 工程地质
主坝坝体土和坝基岩土的空间分布和物理力学特性简述如下：
填筑土：棕褐色、黄褐色，主要回填泥质粉砂岩残积土，填土多呈硬塑状态，压缩性中等，但土质较松散，密度较低，遇水易崩解，渗透系数k=1.33×10-4cm/s，属中等透水性。
残积土：主要由泥质粉砂岩风化残积形成，干强度中等，韧性低，渗透系数k=9.40×10-4cm/s，属中等透水性。
全风化泥质粉砂岩：棕褐色、黄褐色，岩芯呈土状，岩石组织结构已完全破坏，手捏易碎，渗透系数k=4.10×10-5cm/s，属弱透水性。
强风化泥质粉砂岩：灰黑色、棕褐色，组织结构大多已破坏，锤击声哑，用镐可挖掘。
2.3 渗流计算
1)断面的选取：本次选取最危险的断面，即大坝最大坝高断面进行计算分析。
2)计算参数：具体计算参数详见表1。
表1 渗透系数参数表
3)计算工况：根据土石坝相关规范，渗流计算工况包括：正常蓄水位工况、设计洪水位工况、校核洪水位工况、校核洪水位降至正常蓄水位工况、正常蓄水位降至死水位工况。
经计算，校核洪水位降至正常蓄水位历时3 h，而正常蓄水位降至死水位历时214.37h。
4)计算方法：土坝渗流稳定分析推荐采用河海大学工程力学研究所研发的“水工结构分析系统 AutoBANK7.7”软件，这个软件经过升级后，具有如下优点：操作简单，只需要在“AutoCAD”绘图软件中建好模，导入“ AutoBANK7.7”软件中定义好土层 、水位就可以进行计算；②一次可同时进行多个工况计算；③可同时进行渗流及坝坡稳定计算；④生成的计算书里面有报告所需要的各种附图，报告编制人员只需要从计算书里把所需的附图复制到报告中即可，可大大提高工作效率。
计算采用单元格划分见图1。
图1 主坝渗流有限元计算模型图
5)计算结果：主坝各工况计算结果见表2。
表2 主坝渗流计算成果表
6)渗流安全评价：从以上计算结果可以看出，坝体浸润线正常，且渗透比降均小于允许水力比降，磨刀坑水库主坝的渗流性态满足规范要求，渗流安全评价为A级。
2.4 坝坡稳定计算分析
1)物理力学指标的取值：主坝各项物理力学指标采用同一土层内土样试验统计的建议值，稳定渗流期土的抗剪强度指标采用慢剪指标，非稳定渗流期采用固结快剪指标。土层物理力学参数表见表3。
表3 土层物理力学参数表
2)计算方法：根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)，坝体抗滑稳定复核采用简化毕肖普法。
3)坝坡稳定计算工况：根据土石坝相关规范，坝坡稳定计算工况包括：正常蓄水位稳定渗流下的上下游坝坡；设计洪水位稳定渗流下的上下游坝坡；1/3坝高水位稳定渗流下的上游坝坡；设计洪水位降至正常蓄水位非稳定渗流的上游坡；正常蓄水位降至死水位非稳定渗流的上游坡；校核洪水位稳定渗流下的下游坝坡；校核洪水位降至正常蓄水位非稳定渗流的上游坡。
4)计算结果：坝坡稳定安全系数成果表见表4。
表4 坝坡稳定安全系数成果表
由以上计算结果看出，现状主坝在各种工况下，大坝坝坡抗滑稳定安全系数均满足现行设计规范的要求，磨刀坑水库结构安全性评价为A级。
3 结 语
大坝渗流稳定计算分析是水库大坝安全评价的一项重要内容，通过渗流稳定计算分析可清楚地知道水库大坝的安全状态，为以后的除险加固提供科学的依据，作为一名水利设计人员，在做水库安全评价项目的时候，需要对水库各主要建筑物进行细致的现场检查，搜集充足的资料，并结合地勘、测量、现场安全检测、计算分析等对水库各建筑物做出全面、准确的评价，提出合理的建议，而一般来说，水库大坝安全评价项目时间都是比较紧张的，面对大量的计算工作，采用合理的计算辅助软件是尤为重要的。
