坝体防渗构造设计及其渗流稳定计算研究

黄雨田

(中科信德建设有限公司，四川 成都 610057)

西林水库位于广西百色市南盘江之上，是兼有农业供水、防洪等功用的小(2)型水库。挡水建筑物为复合土工膜防渗风化料坝，坝轴线方位角N20.41°E，坝轴线长70.09m，坝顶高程1348.00m，防浪墙顶部高程为1349.00，坝顶宽5.0m，大坝上游坝坡m1=2.5，下游坝坡m2=2.0，下游坝坡在1377.00m高程设置宽度为2.0m的马道，下游面采用格构加草皮护坡，坝体下游坝脚高程1337.00m以下设置排水棱体，排水棱体顶部高程1337.00m，底部高程1331.87m，顶宽2m，上游侧坡度为1∶1.4，下游侧坡度为1∶1.5。最大坝高15.5m(坝轴线处)，坝底最大宽度72.6m。

在工程可研阶段需要对坝基防渗构造及坝体分区及筑坝材料进行设计及计算，利用设计资料建立模型对数据合理性进行分析，通过模拟数据与设计成果对照，对设计参数的验证提供依据[1-3]。

1 坝基防渗构造设计

根据当地材料的基本情况，坝体材料采用风化料，坝体防渗采用复合土工膜，上游坝脚设置C20混凝土防渗墙；高程1337.0m以下为棱体排水区，排水区与风化料之间设细砂垫层和碎石垫层，细砂垫层厚0.5m，碎石垫层厚0.7m；大坝下游坝坡在1337.0m高程设置宽度为2.0m的马道。

坝体设置棱体排水区，排水区顶部高程1337.0m，顶宽2.0m，内坡1∶1.4，外坡1∶1.5，排水区与风化料之间设细砂垫层和碎石垫层，细砂垫层厚0.5m，碎石垫层厚0.7m(见图1)。

图1 排水棱体结构设计

坝面及岸坡排水采取露天排水沟方式，坝顶下游侧、两岸岸坡及1337.0m高程的马道内侧均设置0.3m×0.3m的排水沟，排水沟材料均采用C20混凝土，坝体下游面形成封闭的排水系统，以汇集坡面雨水，引水至下游河道(见图2)。

图2 坝坡排水布置

2 坝体分区及筑坝材料设计

坝体填筑主要分为两部分：坝体风化料区、棱体排水区。

2.1 坝体风化料区

风化料坝体采用料场砂质泥岩夹页岩料，最大粒径150mm，浮重度6.5kN/m3，浸润线以上重度为16.5kN/m3，孔隙率12%，渗透系数为1×10-4cm/s。坝体填筑应密实均匀，有足够的抗剪强度和低压缩性。大坝填筑施工前，必须根据相关规范进行碾压试验，获取碾压遍数、含水量等施工参数指标。

2.2 棱体排水区

本工程坝体内设棱体排水区，排水区能有效地降低坝体浸润线。排水区顶部高程为1337.00m，高于下游校核水位1332.81(P=5%)。主要由细砂垫层、碎石垫层和干砌块石填筑而成，材料为外购灰岩料，最大粒径400mm，孔隙率不小于24%，渗透系数大于1×10-1cm/s。按照室内资料确定设计参数(见表1、表2)。

表1 坝体各区材料参数

表2 坝体颗粒级配范围

3 渗流稳定性计算

3.1 渗流计算

a.计算工况。大坝荷载组合分为基本组合和特殊组合，结合本工程实际，本工程考虑荷载组合情况(见表3)[4-7]。

表3 大坝荷载组合

b.基本参数：风化料(坝体风化料含风化石)参数见表4。复合土工膜渗透系数为1×10-9cm/s。排水棱体主要参数见表5。

表4 风化料参数

表5 排水棱体主要参数

c.计算方法及计算结果。具体计算采用有限元分析系统软件AutoBank7.076进行，各断面浸润线计算简图见图3～图6。

图3 校核洪水位坝体渗流计算简图

图4 设计洪水位坝体渗流计算简图

图5 正常蓄水位坝体渗流计算简图

图6 土工膜失效期校核水位坝体渗流计算简图

d.渗流分析。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)要求，需判明坝下游渗流出逸段的渗透稳定性；在没有反滤层保护时，坝体、坝基渗透出逸比降应小于材料的允许渗透比降[8-10]。

本工程可能存在渗流破坏的位置有两处：一处是风化料与排水棱体间，另一处为坝基与排水棱体间。本次设计在上述两处均设置厚1.2m的反滤层，经模型模拟验算，满足规范对渗流稳定的要求。

4 坝坡稳定计算

按上述四种工况分别进行坝坡稳定计算。

a.计算方法。本工程大坝为5级建筑物，采用毕肖普法进行稳定计算，计算采用河海大学水工结构有限元分析系统软件AutoBank7.076。

b.计算成果。对上述工况分别进行计算，计算简图见图7，计算成果见表6。

图7 稳定计算简图

表6 大坝稳定计算成果

从计算成果可知，各工况下，大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求，大坝安全可靠。

6 结论与建议

对广西百色市西林水库坝基防渗结构进行设计，排水区与风化料之间设细砂垫层和碎石垫层，细砂垫层厚0.5m，碎石垫层厚0.7m，坝面及岸坡排水采取露天排水沟方式；坝体填筑主要分为两部分：坝体风化料区、棱体排水区，并对具体参数进行确定。利用有限元分析系统软件AutoBank7.076，确定正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、正常蓄水位+土工膜失效渗漏期四种工况各断面浸润线，在风化料与排水棱体间、坝基与排水棱体间设置厚1.2m的反滤层，经模型模拟验算，满足规范对渗流稳定的要求。同时各工况下，大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范要求，大坝安全可靠。通过实际设计与建模模拟对坝体防渗构造设计及其渗流计算稳定性二者耦合提供技术支撑。