飞来峡水利枢纽土坝段渗流稳定计算分析

2021-10-24林小聪

黑龙江水利科技 2021年10期

林小聪

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

飞来峡水利枢纽位于广东省北江干流中游，坝址控制流域面积34097km2，作为综合性利用工程，具有防洪排涝、航运、发电等多种功能。

飞来峡水利枢纽设计等级为一等，其挡水建筑物可以达到1级，依据500a一遇的洪水标准设计，混凝土挡水建筑物的校核标准为5000a一遇洪水，土坝和副坝防洪标准达到了10000a一遇。水库正常蓄水位24m，设计洪水位31.17m，校核洪水位33.17m。飞来峡水利枢纽主要建筑物由溢流挡水坝、主土坝、船闸、电站、副坝等组成。

枢纽的布置设计结合了地形条件、地质结构，并考虑到了施工环境，主要项目包括厂房、船闸、挡水坝、溢流坝、连接坝、土坝等。此外，左右岸垭口设有四座副坝，在枢纽左岸还有社岗防护工程。坝顶高程34.8m，坝顶长度(含泄水建筑物)2358m，最大坝高52.3m。坝顶上游设宽度为8.0m的公路桥，贯穿整个枢纽的交通。

溢流挡水坝采用混凝土重力式结构，混凝土坝长度为531.3m，其中溢流坝前沿总长度为285m，坝顶高程34.8m，最大坝高52.3m，共设16个泄洪孔，采用弧形钢闸门，其中15孔为带胸墙的泄洪孔，孔口尺寸14m×12m，堰顶高程为9m，另一孔为排漂孔，堰顶高程为16m，设计洪水泄洪量为21800m3/s，校核洪水泄洪量为28700m3/s。

主土坝为均质土坝，位于右岸，土坝长度为1756m，防渗采用混凝土连续墙，墙厚0.8m，深入强风化岩0.5m。

2 计算的基本资料

2.1 主土坝的计算模型

选取最大坝高断面最为渗流复核计算的典型断面，主土坝计算简图，见图1。

2.2 坝体及坝基土层计算参数

2.2.1 填土

坝体施工的填土土料来源于周边山体的坡积土以及花岗岩风化土，土质主要为黏土质砂以及含低砂黏性土。依据土工试验结果，填筑土料干密度ρd在1.57-1.75g/cm3之间，均数1.69g/cm3，质地较为密实；标贯试验成果表明，多填筑土为硬塑与中密，填土的压实强度可以达到设计要求。结合各类土样试验粒径分布曲线，坝体填土细粒含量Pc平均值为49.2%，属于易发生渗透的流土质，其临界水力比降的计算方法为Jcr=(Gs-1)×(1-n)，可靠系数2.0，临界水力比降经计算后结果为Jcr=0.953，水力比降的计算J允许=0.476。

花岗岩体的填筑土的渗透系数确定。结合注水试验结果K3.75×10-3m/s(取最大限值)，室内的试验计算K20=1.56×10-5cm/s (取最大限值) 。坝体的填土层属于中等-弱透水性土质。钻孔注水试验多在坝体上部进行，且钻孔多在坝项的一侧(不在坝项中部)，注水试验渗透系数可能会稍偏大，结合室内试验成果，坝体的填土属于中等-弱透水性。

针对大坝前坡面与后坡面的保护采用了干砌石，分别并在坝前、后坡设计有马道，避免雨水冲刷的影响，以提升坡体的稳定性。大坝坝顶与坝坡未发现有裂缝[1]。

2.2.2 坝基

根据前期资料，主坝土坝段河床冲积层厚16-18m，上、中、下层分别为含砾-砾质中粗砂、砂卵砾石和含泥砂卵砾石层(本层厚1.5-3.0m，局部尖灭)，渗透性强；右岩滩地冲积层厚25-28m；上层为砂壤土、壤土、黏土等，渗透性弱；河床和滩地冲积层下为全风化土和强风化岩，全风化岩为弱透水性，强-弱风化岩均属弱-中等透水性。

本次复核采用的坝体土料物理力学指标参照《飞来峡水利枢纽工程安全鉴定工程地质勘察报告》、《施工图地质报告》和《竣工地质报告》有关岩土层材料参数建议值。主坝是塑性混凝土防渗心墙土坝，由于没有其防渗墙材料试验的渗透参数，本次复核根据经验选取。

主坝(河床段)坝体各土层物理力学参数表，见表1。

2.3 工况的计算

复核计算通过有限元分析，依据二维平面计算渗流的稳定性。通过对土坝各工况进行计算分析，判断土坝的渗透稳定情况[2]。土坝渗流稳定分析采用河海大学开发的Autobank6.0软件进行计算。

渗流分析计算考虑水库运行中出现的不利水位的组合，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)第8.1.2条规定，本次土坝的渗流分析计算按以下4种工况进行分析：

荷载工况分类：

1)工况1：上游蓄水位正常、下游最低水位；

2)工况2：上游高水位、下游高水位。

特殊组合工况

3)工况3：上游洪水位与下游最低水位；

4)工况4：上游防洪高水位骤降至防洪起调水位(骤降所需时间按24n考虑)。

3 渗流计算结果

3.1 渗流计算结果

主坝典型断面各相应工况的渗流计算流网，主坝渗流工况1计算流网图，见图2；主坝渗流工况2计算流网图，见图3；主坝渗流工况3计算流网图，见图4；主坝渗流工况4骤降过程计算浸润线，见图5，渗流量计算结果汇总表，见表2。

图2 主坝渗流工况1计算流网图

图3 主坝渗流工况2计算流网图

图4 主坝渗流工况3计算流网图

图5 主坝渗流工况4骤降过程计算浸润线

表2 渗流量计算结果汇总表

对渗流计算结果图2-4及表2进行分析，主坝的渗流分析结论如下：

1)主坝塑性混凝土墙进入弱透水层——全风化层，各种工况下等水头线在塑性混凝土区域集中，水头骤减，表明大坝采用混凝土防渗墙的防渗措施(防渗墙底部插入风化花岗岩，防渗墙顶部插入坝体，顶部达到26.0m高程，已超过水库正常水位24.0m。)起到了良好的防渗、截渗效果。由于渗流场在塑性混凝土区域以下的水头降低很低，已基本与大坝下游坝区地下水位一致。

2)土坝段计算单宽渗漏量均很小，说明坝体(堤身)防渗效果较好。

3)经现场检查，主土坝背水坡无出现牛皮涨现象，排水体运行情况良好。

3.2 主土坝实测浸润线与复核计算值拟合比较

根据主土坝实测资料，结合本次复核计算采用的典型断面，采用主坝河床段典型断面桩号为1+025的浸润线观测资料，主土坝典型断面1+025浸润线观测资料，见表3，主坝段典型断面浸润线对比图，见图6。

图6 主坝段典型断面浸润线对比图

表3 主土坝典型断面1+025浸润线观测资料 m

从图6浸润线对比可知：

1)实测浸润线略高于复核计算浸润线，主要因为：①主要原因所在域主土坝实测浸润线上下游水位相对较高些；②计算采用的渗透系数k与坝体实际各部位渗透系数k可能不一致。

2)主土坝实测浸润线段出现逆向小幅回升异常现象，主要因为：①上游水位和下游水位处于动态变化中，只在短期内可以保持稳定，土坝的渗流因此长期处于不稳定渗流状态，渗流的稳定是短期的。此外，土坝渗透压力的变化与测压管内的水位变化会滞后于库内水位的改变，测点的水位准确性要考虑到不同期库水位的影响，还要结合前期库水位与变化速度存在的影响；② 坝体渗透系数k存在空间上的的不均匀性，加上温度会影响到渗流 (由于渗透系数k会随着温度的改变而发生变化。温度升高会增大渗透系数)。渗流场处于均匀分布，幅度发生变化时，渗流场渗透系数会等比例变化，场内的渗透压力会保持恒定，渗流量会随渗透系数的变化而发生线性变化。渗透系数不会同比例发生变化，渗透压力会逐渐变化。

综合认为： ①主土坝实测浸润线与复核计算浸润线不完全吻合，但偏差较小；②大体上主土坝实测浸润线与复核计算浸润线基本协调；③二者之间的差别对坝体抗滑稳定的影响可忽略不计，且均满足渗透稳定[3]。

4 渗流稳定性计算和结论

复核方法为有限元分析，依据二维平面问题计算渗流稳定性。通过对土坝各工况进行计算分析，判断土坝的渗透稳定情况。土坝渗流稳定分析采用河海大学开发的Autobank6.0软件进行计算，计算方法采用简化毕肖普法[4]。

(1)

式中：W为土条的实际重量，kN：W1为坝坡水位以上湿重，kN；W2为坝坡水位以下浮重，kN；V为地震惯性力，kN(上为“—”，向下为“+”)；u为土条底面孔隙压力，kPa，本次计算取0；b为土条的实际宽度，m；α为条块重力线与底面半径间的夹角，°；c'、φ'为土条强度指标，kPa、°；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径。

主坝典型断面各相应工况的稳定计算结果见图7-10及表4。主坝工况1坝坡稳定计算成果图，见图7；主坝工况2坝坡稳定计算成果图，见图8；主坝工况3坝坡稳定计算成果图，见图9；主坝工况4坝坡稳定计算成果图，见图10。

渗流量计算结果汇总表，见表4。