某水库大坝渗流稳定分析
2022-08-18刘鹏飞
刘鹏飞
(新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局,新疆 库尔勒 841000)
1 工程概况
胜利水库属于平原注入式水库形式,于1970年兴建,设计总库容1.10×108m3,为大(二)型Ⅱ等水库,坝线长15.64 km,按碾压式均质土坝设计,坝前防浪护坡坡比1∶8~1∶15,坝高最大达到7.18 m。
2000年前兵团大坝安全鉴定专家小组对胜利水库大坝质量进行了综合评定,将其认定为Ⅲ类坝,且提出了坝体防渗加固、坝后二台加大、超高增高、坝前护坡等除险加固措施。
2 分析方法
采用AUTOBANK6.1软件,结合有限元分析法和瑞典圆弧分析法,以保证胜利水库大坝渗流分析和坝坡稳定分析过程及结果的合理性与准确性。AUTOBANK6.1软件是在现有有限元分析技术的基础上对水利水电工程堤防、大坝、水闸、涵洞等水工建筑物结构进行精细化模拟分析和计算的一种软件工具。
应用AUTOBANK6.1分析软件全面分析及精确计算,最终以渗流量、等势线、水力坡降、浸润线以及任意点和任意断面流场数据分布等参数和图形形式给出结果;并基于以上分析结果,不间断进行应力应变、位移分析,由系统绘制并输出应力、位移、变形、主应力随时间空间变化趋势;通过人机交换界面搜索出任意点、任意断面所对应的力学参数分布趋势;模拟分期加载/卸载及土石方开挖/填筑等过程。
3 分析过程及结果
3.1 水库大坝渗流分析
3.1.1 计算水位及参数
结合胜利水库工程实际及大坝最大横剖面实际,应用AUTOBANK6.1 软件结合达西定律进行水库大坝综合渗流分析。选取该水库大坝进行渗流计算时所对应的正常水位为386.45 m,死水位380.24 m,P=2%时的设计洪水位和P=0.10%时的校核洪水位分别取386.47 m和387.06 m。
结合胜利水库建设和除险加固过程中的地勘报告以及新疆地区同类型水库工程渗流稳定分析经验确定渗透系数取值。
3.1.2 计算工况
结合《碾压式土石坝设计规范》以及相关规范,将胜利水库大坝渗流计算过程中所对应的水位组合工况设置为以下几种:工况1:正常蓄水位和下游对应最低水位。工况2:设计洪水位和下游对应水位。工况3:校核洪水位和下游对应水位。工况4:20 d 内正常蓄水位降至死水位。工况5:20 d 内校核洪水位降落至死水位后同时形成非稳定形式的渗流。
3.1.3 计算结果及分析
根据《堤防工程设计规范》以及《渗流计算分析与控制》等规范性资料,均质土坝渗流计算应采用以下公式:
式中:q—水库大坝单宽渗流量(m3/d·m);k—水库大坝坝体现状渗透系数(m/s),取2.97×10-6m/s;H1—上游水位(m);H2—下游水位(m);h0—下游出逸点高(m);m1—上游实际边坡系数;m2—下游实际边坡系数;L—大坝坝长(m)。将具体数值代入以上对应公式后的计算结果详见表1。
表1 水库大坝渗流稳定计算成果表
根据表2结果,胜利水库大坝在不同工况下坝体单宽渗流量最大值为1.98×10-5m3/(d·m),据此进行水库大坝总渗漏量的计算,公式如下:
式中:Q—水库大坝总渗漏量(m3/d);t—时间(s);其余参数含义同前。
经计算,胜利水库年渗漏量最大值为2.13 m3,远比水库库容总库容1.10×108m3小,故该水库大坝经多次除险加固处理后已经具备较好的防渗性能。工况3 下水库大坝单位渗流量计算结果明显比其他工况大,也说明水库大坝渗漏稳定受动水作用比受静水作用更为不利。
结合《水利水电工程地质勘查规范(GB50287-2008)》的相关要求进行胜利水库大坝坝体土可能发生的渗透变形形式的判别,公式如下:
式中:—大坝坝体土细粒颗粒实际含量(%),通常用质量百分率表示,取60%;—坝体土孔隙率,结合地勘报告取0.48。经计算,胜利水库大坝坝体现状下其土细粒颗粒实际含量应为48.30%,该水库大坝坝体发生流土破坏的可能性较大,其允许渗透坡降按下式确定:
式中:Δ—大坝坝体土粒比重,根据对新疆地区规模同等水库的类比分析,取2.71;KB—流土安全系数,取1.50;其余参数含义同前。经计算,胜利水库大坝允许渗透坡降为0.587,根据相关规范,水库大坝渗透稳定满足要求。
3.2 水库大坝坝坡稳定分析
胜利水库坝坡稳定性分析中还必须进行大坝边坡稳定性计算,具体采用瑞典圆弧法及AUTOBANK6.1程序。
3.2.1 计算工况
结合《碾压式土石坝设计规范》具体规定,根据水位组合分别设定正常工况和非正常工况进行胜利水库大坝边坡稳定性计算。
3.2.2 计算结果及分析
按照规范,胜利水库大坝坝体抗滑稳定采用刚体极限平衡法进行计算,由于胜利水库大坝为碾压式均质土坝设计,且坝坡存在软弱夹层,故宜按照遵循力与力矩平衡原理的Mogenston-Plus方法进行胜利水库坝体抗滑稳定计算,同时在全面考虑大坝坝体抗滑条块间互相作用相应力的基础上应用简化Bishop 法进行计算结果校核。应用AUTOBANK6.1 进行该水库大坝边坡稳定分析,计算结果见表2。
表2 水库大坝边坡稳定计算结果表
根据以上对胜利水库大坝边坡稳定的分析及计算不难发现,对该水库实施针对性强的除险加固措施后水库大坝边坡抗滑稳定性显著提升,并能达到规范要求。应用瑞典圆弧法所得到的胜利水库大坝上游坝坡在前三种工况的静水位下的稳定系数最小值取值也处于较高水平,但是在其余两种工况的动水位下所计算出的稳定系数最小值取值却比较小,通过比较以及分析原因可以看出,该水库存在较大幅度的降落水位,则所得到的边坡稳定系数取值越小。
4 结论
综上所述大坝允许渗透坡降满足规范;比较不同静水位工况发现,校核洪水位工况下大坝单宽渗流量明显比其余工况大,表明水库大坝渗流稳定受动水作用的影响比静水作用的影响更明显。各工况下得到的稳定系数最小值均比规范值大,表明该水库大坝除险加固措施实施后大坝坝体抗滑稳定性能大大提升,且完全满足相关规范要求;大坝上游坝坡在静水位工况下所对应的抗滑稳定系数最小值也均比其余工况下抗滑稳定系数最小值大,且降落水位越大,稳定系数取值越小,且下游坝坡安全稳定情况更应受到重视。