定南县洋前坝水库大坝渗流及稳定性分析

孙华云

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330000)

1 工程概况

洋前坝水库位于定南县岿美山镇溪尾村，水库与定南县城的直线距离约为40km，水库坝址在定南流域一级支流——老城河上游，地理位置为E114°50′11″，N24°37′53″，水库集水面积25.8km2，主河道长7.69km，纵比降23.5°。洋前坝水库设计要求为一座主要进行城镇供水的中型水利枢纽，经综合分析论证，洋前坝水库正常蓄水位407.00m，死水位373.00m，50a一遇设计洪水位409.12m，500a一遇校核洪水位409.87m；水库总库容2170万m3，正常蓄水位以上库容1820万m3，死库容24.8万m3，调节库容1795万m3。洋前坝水库工程任务以城镇供水为主，兼顾农田灌溉，工程建成后可满足定南县城区及沿线乡镇2030年16.67万人的生活用水及下游133.33hm2农田的灌溉用水需求。

2 大坝渗流计算

2.1 土体透水特性

本大坝设计为重力坝，坝基岩性为全-弱风化中粗粒黑云母二长花岗岩、花岗斑岩，岩体节理裂隙发育，岩体完整性较差，具弱-中等透水性，岩体内部的节理裂隙及其组合是渗漏产生的主要通道。据上坝址钻孔压水试验成果：左岸岩体的透水率q=3.6-33Lu，透水性弱-中等；河床段的透水率q=3.8-9.5Lu，透水性弱；右岸岩体的透水率q=2.7-13Lu，透水性弱-中等。该混凝土重力坝坝高<100m，按技术规范标准要求，相对不透水岩层按q≤5Lu控制，按此标准，勘探深度范围内坝基岩体上部均为相对透水层，存在坝基及绕坝渗漏问题，相对透水岩层厚度变化较大，其埋置深度为：左岸24.2-26.3m，底高程为358.37-390.76m；河床段30.2m，底高程为333.68m；右岸25.6-41m左右，底高程为357.26-374.36m。 大坝两岸山体风化深厚，透水层厚度较大，相对隔水层及地下水位均低于正常蓄水位407.00m，故两岸存在绕坝渗漏问题。

2.2 大坝渗流计算

进行渗流计算主要是基于上下游水位进行坝体浸润线和出逸点位置、坝基渗流量、坝体内部渗透坡降等的计算，并为大坝坝坡的稳定复核及水库安全运行提供可靠依据。洋前坝水库大坝渗流计算拟定出三个工况，详见表1。

表1 大坝渗流计算工况

水库大坝平面渗流稳定计算主要是进行具体边界条件下拟调和方程的求解：

(1)

(2)

(3)

式中：vx为X向渗流流速，m/s；VY为y向渗流流速，m/s；kx为x向渗透系数，m/d；ky为y向渗透系数，m/d；H为渗流场内渗透水压，MPa。

采用北京理正渗流分析软件中的有限元分析进行洋前坝水库大坝渗流计算，同时计算大坝坝体浸润线、渗流量，坝体及坝基各点压力水头、总水头及水力比降，并根据计算结果绘制压力水头等值线及各点水力比降彩色云图[1]。根据水库地质勘探资料和室内渗透试验结果确定坝体及坝基不同区域渗透系数，结果见表2。将水库坝体各土层特性、水位及横截面等参数输入渗流分析软件进行不同工况有限元分析的结果见表3。

表2 不同区域渗透系数

表3 不同工况有限元渗流分析结果

3 加固处理

为截断绕坝渗漏，结合水工设计规范，两岸坝头防渗帷幕宜延伸到相对隔水层处或正常蓄水位与地下水相交处，工程左右岸防渗帷幕长度为30m。另据现场调查，近坝库岸左岸现状为一山脊，勘察期间沿鞍部布置了钻孔。据钻孔揭露左岸山脊鞍部坝基岩性为全-弱风化花岗斑岩，岩体节理裂隙发育，岩体完整性一般-较差，具弱-中等透水性。据钻孔压水试验成果：左岸山脊鞍部岩体的透水率q=2.4-22Lu，透水性弱-中等。按相对不透水岩层按q≤5Lu控制，勘探深度范围内坝基岩体上部均为相对透水层，存在绕坝渗漏问题，相对透水岩层厚度变化较大，其埋置深度为27.9-35m，底高程为406.49-392.06m，进行防渗处理。为截断绕坝渗漏，结合水工设计规范，防渗帷幕宜延伸到相对隔水层处或正常蓄水位与地下水相交处，该处防渗帷幕长度为158m。

4 抗滑稳定性分析

通过稳定性分析，以确保洋前坝水库重力坝在结构自重、孔隙水压力及内外荷载的综合作用下保持相对稳定，不发生坝基和坝体整体及局部性的剪切破坏。洋前坝水库大坝抗滑稳定性分析主要采用极限平衡理论，假设大坝坝体在达到极限平衡状态下，土体会沿滑裂面发生剪切破坏及失稳，且滑裂面上各点所对应的土体均处于极限平衡状态。洋前坝水库坝体稳定计算采用简化的Bishop方法[2]。稳定性系数K按照下式确定：

(4)

式中：W为土条重量，kg，浸润线以上取天然容重，浸润下以下取饱和容重；α为条块重力线和底面中点半径的夹角，°；u为土条底面所作用的孔隙压力，MPa；b为土条宽，m；c′、φ′为反应土条底面有效应力抗剪强度的参数；Q为土条水平力，MPa；e为土条水平力滑弧中心力臂，m；R为圆弧半径，m。

根据所设定的工况并结合《碾压式土石坝设计规范》采用有效应力法计算土石坝在稳定渗流情况下土体的抗剪强度指标[3]，并根据洋前坝水库地勘报告所给出的物理力学参数建议值进行相似工程各项物理力学指标的类比分析，具体见表4。

表4 洋前坝水库大坝稳定分析结果

采用土石坝边坡稳定分析软件直接读入具体工况下渗流计算成果，即输入表3相关参数进行洋前坝水库坝坡稳定计算，并采用简化的Bishop法所自动搜索到的最小稳定安全系数滑裂圆弧即为最危险滑动面。根据相关分析，不同工况下洋前坝水库大坝坝坡抗滑稳定系数均比设计及规范规定的最小值大，所以实施加固措施后大坝抗滑稳定符合设计要求。

5 结 论

通过文章对洋前坝水库大坝渗流及稳定性分析表明，在进行水库大坝渗流稳定分析时必须加强土料渗透系数、黏聚力、内摩擦角等参数的合理选择，在选择上述参数时既要考虑试验结果，又要分析试验结果与工程实际可能存在的误差，以确保参数的选取符合工程实际需要。由于洋前坝水库施工质量及运行管理等方面的原因，主要建筑物存在渗流方面的病险情，并严重威胁水库正常运行，水库大坝亟待加固整治以消除建筑物运行隐患，提升水库防洪标准。防渗帷幕除险加固措施实施后使大坝在各种工况下抗滑稳定安全系数均大于设计及规范的最小值水平，加固后各工况下大坝抗滑稳定完全符合设计要求。