坷斜水库大坝渗流及结构安全评价

张 凯

（广东粤源工程咨询有限公司,广东 广州 510000）

我国众多中小型水库受限于当时的经济社会条件和技术要求,同时缺乏有效管理和维护,致使水库难以发挥工程的综合效益。因此,对水库进行渗流及安全评价,了解及全面掌握水库大坝的安全状况,并对病险水库及时采取相应的措施,对保证大坝安全运行,促进经济稳定发展具有非常重要的意义[1]。本文对水库坝体进行渗流和结构安全评价。

1 工程概况

坷斜水库兴建于1965 年,1966 年竣工并投入使用,主要由大坝、溢洪道、输水涵管等建筑物组成。水库集雨面积0.83 km2,总库容24.07 万m3,工程等别为Ⅴ等,主要建筑物级别为5级,是一座以灌溉为主,结合防洪等综合利用的小（2）型水库,水库灌溉面积400亩,保护下游4200 亩耕地及3500 人口的防洪安全。坷斜水库的设计洪水标准为20 年一遇,校核洪水标准为200年一遇。大坝为均质土坝,坝顶高程84.27 m,最大坝高10.85 m,坝顶长110 m,坝顶宽度5.1 m,上游现状坡比为1∶2.49,下游现状坡比为1∶1.90。坝后坡设置有贴坡反滤排水。校核洪水位84.87 m,设计洪水位84.12 m,正常蓄水位81.72 m,死水位73.50 m。

2 渗流安全评价

渗流安全评价应从建筑物的坝基进行考虑,大坝的渗透水流除了浸润土体外,当渗透力大到使水库坝坡发生滑动、坝基发生管涌、产生流土等重大渗流事故时,会直接影响大坝的安全运行。因此,对已建工程挡水建筑进行安全性评价很有必要。

2.1 评价方法

渗流安全评价主要依据水库大坝运行过程中可能出现的渗流问题、现场安全、地质勘察成果及渗流监测成果进行综合评价。

依据达西定律的渗流公式,假设坐标系与其渗透的主方向一致,则水头函数如下：

式中：H为水头函数；X、Z为坐标；KX、KZ为主渗透系数。

非稳定渗流时,其定解条件为：

（1）初始条件

（2）边界条件可分为两类

1）第一类边界条件（给定水头边界）

2）第二类边界条件（给定流量边界）

以上各式中的H0为渗流场内的初始水头函数值；n为边界Γ2的外法向；Kn为边界Γ2的法向渗透系数。如为稳定渗流,则只有边界条件（2）、（3）式,时间变量t消失。

2.2 渗流计算断面

渗流计算选择典型断面,以实际坝体断面处外扩线为基础,结合水库大坝的现场检测资料及结构资料,初步设定断面的边界外扩线。同时,结合地质勘测成果,拟定大坝最大断面处作为计算典型断面。坝体拟定的典型计算断面见图1。

图1 大坝渗流计算典型断面图

2.3 计算工况

大坝渗流计算应考虑水库运行中出现的各种不利情况,可采用下列四种组合：

（1）大坝上游的正常蓄水位与大坝下游的不利水位组合；

（2）大坝上游的设计洪水位与大坝下游的不利水位组合；

（3）大坝上游的校核洪水位与大坝下游的不利水位组合；

（4）水库水位骤降。

大坝渗透稳定计算工况,见表1。

表1 大坝渗流计算工况及对应的水位

2.4 计算结果

根据坝体稳定渗流计算成果,各工况出逸比降小于允许值,坝体渗流浸润线均在贴坡反滤体处溢出,渗流出逸比降均小于允许值。

坝体在各工况下渗流浸润线计算成果见图2～图5。水库大坝坝体稳定渗流计算成果见表2。

表2 大坝稳定渗流量计算成果表

图2 大坝水头等值线图（正常蓄水位）

图3 大坝水头等值线图（设计洪水位）

图4 大坝水头等值线图（坝顶水位）

图5 大坝抗滑稳定计算断面图

3 结构安全评价

3.1 计算方法

结构抗滑稳定复核依据简化的Bishop法,用最小安全系数的简捷法计算坝体边坡的圆弧。坝体的结构安全稳定计算选择典型断面,以实际坝体断面处外扩线为主,结合水库大坝的现场检测资料及结构资料,初步设定的工况见表3。

表3 大坝计算工况及计算内容一览表

3.2 计算结果

大坝坝坡稳定计算成果见表4,坝坡最不利滑弧位置图见图6～ 图9。

图6 上游坝坡抗滑稳定滑弧图（工况1）

图9 下游坝坡抗滑稳定滑弧图（工况2）

表4 大坝坝边坡稳定计算成果表

由表4可知,正常运用情况,设计洪水位稳定渗流期（有效应力法）,下游坝坡的稳定系数为1.09,而坝坡稳定系数的规范要求值为1.25。在非正常运用条件下,校核水位超过坝顶高程,不能满足大坝的坝坡安全。

图7 下游坝坡抗滑稳定滑弧图（工况1）

图8 上游坝坡抗滑稳定滑弧图（工况2）

4 结论

（1）水库大坝下游设置有贴坡反滤体,现状下游坝坡有较多灌木,对大坝的渗流稳定有影响,但对大坝的安全影响不严重。

（2）结合渗流计算分析情况,坝体浸润线未超过设计值,渗漏量总体较少,大坝的渗流压力与渗流量变化规律基本正常,渗流出逸比降均小于允许值。

（3）根据地质勘察,坝基渗漏及绕坝渗漏的可能性较小,溢洪道及输水设施未发现渗水现象。

（4）正常运用情况下,设计洪水位稳定渗流期（有效应力法）,下游坝坡的稳定系数为1.09,而坝坡稳定系数的规范要求值为1.25。在非正常运用条件下,校核水位超过坝顶高程,不能满足大坝的坝坡安全。