宝鸭塘水库大坝渗流计算与稳定分析

符朝仁

（中山市水库水电工程管理中心,广东 中山 528400）

1 工程概况

宝鸭塘水库位于长江水库上游库区内,是一座以防洪、供水为主,兼有改善环境等综合效益的小（2）型水库。集雨面积0.95 km2,总库容20.82 万m3,大坝为均质土坝,坝长80 m,坝顶高程102.73 m；最大坝高13 m,大坝顶宽5 m,上游坝坡坡度为1∶2.25；坝坡99.60 m高程以下采用0.35 m厚干砌石护坡,99.60 m高程上部草皮护坡；大坝背水坡在94.30 m设置有一个戗台,戗台宽度4.0 m,戗台上部坡比为1∶2.5,草皮护坡；戗台下部坡比为1∶2.25,草皮护坡；坝脚修建干砌块石反滤棱体,反滤棱体底高程80.33 m。

防洪标准为30 年一遇设计,300 年一遇校核,其主要水工建筑物为5 级建筑物,次要建筑物为5 级建筑物。

宝鸭塘水库1972 年11月开始动工兴建,1973 年4 月竣工。限于当时的技术条件和投资,原坝体填筑质量较差且未能对坝基和坝体进行有效的防渗处理。工程建成投入使用以来,经过2 次加固,为保证大坝正常运行,定期对大坝进行保养和管护,水库目前运行正常。

2 大坝渗流复核计算

2.1 计算工况

参考宝鸭塘水库调洪计算成果及大坝实际运行中可能出现的不利情况,并根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）的规定要求,拟定下列工况进行渗流核算。

正常运行情况：

工况一：上游为正常蓄水位97.97 m,下游水位为反滤体底高程80.33 m。

工况二：上游为设计洪水位100.33 m（P=3.33%）,下游水位为反滤体底高程80.33 m。

工况三：水库水位从设计洪水位100.33 m（P=3.33%）降至正常蓄水位97.97 m库水位的降落期的情况。

工况四：水库水位从正常蓄水位97.97 m降至死水位的库水位94.19 m降落期的情况。

非常运行情况：

工况五：水库水位为校核洪水位100.77 m（P=0.33%）的情况,下游水位为反滤体底高程80.33 m。

工况六：水库水位从校核洪水位100.77 m（P=0.33%）降至正常蓄水位97.97 m降落期的情况。

2.2 库水位降落期工况分析

对于均质土坝,在库水位降落的情况下进行土坝上游坝坡不稳定渗流计算,由坝体填土的渗透系数k、给水度以及根据调洪计算得出的水位降落速度V,可以计算出k /从而判断库水位降落期的浸润线类型。

库水位降落土坝产生非稳定渗流期间,各粘性土层的给水度 按下式计算确定。

式中：为给水度；n为土体的孔隙率；K为渗透系数,cm/s。

对于无粘性土：

式中：K为渗透系数,m/d。

当库水位降落时,溢洪道及涵管的泄量按调洪计算结果取值,根据库水位～库容～泄量关系,计算库水位降落速度,从而可以得出k/,从而判断库水位降落期的浸润线类型。以下为各种工况下的k/（见表1）。

表1 大坝 k/计算值

表1 大坝 k/计算值

项目 工况 渗透系数K/（cm/s）孔隙率/n给水度/库水位降落速度V/（m/d）k V大坝工况六：校核洪水位～正常蓄水位 1.171×10-40.470.0213 0.81 2.24工况三：设计洪水位～正常蓄水位 1.171×10-40.470.0213 0.51 4.26工况四：正常蓄水位～死水位 1.171×10-40.470.0213 2.50 0.90

2.3 渗透系数选定

结合《宝鸭塘水库大坝工程地质勘察报告》的地质资料,坝体与坝基渗透系数采用值见表2。

表2 坝体与坝基渗透系数采用值

2.4 渗流量计算成果

通过对大坝渗流计算分析,得到渗流量计算成果见表3,渗流量均不大,单宽每米最大渗流量为0.048 m3/d。从日常检查看,低水位时大坝渗漏主要表现在坝体及坝基的接触面渗水,主要发生在左坝脚。

表3 大坝单宽渗流量 单位：m3/（d·m）

2.5 渗流比降计算成果

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）,应根据下式计算流土型临界渗透比降：

式中：Jcr为土的临界渗透比降；Gs为土粒比重；n为土的孔隙率（以小数计）。

土体允许渗透比降为临界水力比降除以安全系数,参考《水工建筑物》（中国水利水电出版社,2008）第321页,黏性土的安全系数一般取1.5,大坝填土允许渗透比降计算见表4,不同工况渗透比降计算成果见表5。

表4 允许渗透比降的确定

表5 不同工况渗透比降计算成果

由渗流计算成果可知,大坝在各种工况下坝坡出逸比降小于允许渗透比降,满足相关规范要求。

2.6 渗流分析小结

在日常检查时发现,大坝左岸侧排水沟处的大坝坝体与坝基接触处有渗漏情况,初步分析为大坝坝体及基础接触面渗水,不影响大坝安全。在日常监测中,坝体浸润线在下游坝坡未发生出逸,渗流出口均位于坝后反滤体内,经排水棱体底部将渗水导出。因些,坝体渗流是安全的。

3 大坝坝坡稳定分析

3.1 计算方法

宝鸭塘水库坝坡稳定计算按《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）的相关规定执行,本工程为均质土坝,采用不计条块间作用力的简化毕肖普法计算坝坡抗滑稳定,计算公式：

式中：W为土条重量；b为土条宽度；R为圆弧半径；Q、V分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负,向下为正）； u为作用于土条底面的孔隙压力；a为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；c'为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩。

宝鸭塘水库大坝为 5 级水工建筑物。根据规范《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020） 的要求,采用计算及条块间作用力的计算方法时,坝坡抗滑稳定最小安全系数：正常运用条件下不小于 1.25；非常运用条件I下不小于 1.15；非常运用条件Ⅱ下不小于 1.10；遭遇地震非常运用条件Ⅱ下不小于1.10。

3.2 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）的规定要求,根据《防洪标准》（GB 50201-2014）和《水利水电工程等级划分及设计标准》（SL 252-2017）的规定,本次复核宝鸭塘水库设计洪水标准为 30 年一遇,校核洪水标准为300年一遇。大坝坝坡稳定复核计算工况如下：

正常运用条件：

正常蓄水位97.97 m时,上下游坝坡稳定分析；

设计洪水位100.33 m时,上下游坝坡稳定分析；

设计洪水位100.33 m降至正常蓄水位97.97 m的上游坝坡稳定分析。

非常运用条件Ⅰ：

校核洪水位100.77 m时,上下游坝坡稳定分析；

正常蓄水位97.97 m降落至死水位94.19 m的上游坝坡稳定分析；

校核洪水位100.77 m降落至正常蓄水位97.97 m的上游坝坡稳定分析。

非常运用条件Ⅱ：

正常运用遭遇地震。

本工程所处地带为7度地震区,根据《水工建筑物抗震设计规范》（GB 51247-2018）需进行地震工况复核。

3.3 计算参数

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）的相关规定,土坝坝坡稳定计算的物理力学参数见表6,排水棱体等的物理力学指标根据相应规范并结合同类工程经验值类比确定。

表6 大坝稳定计算物理力学参数采用值

3.4 计算成果

通过对坝坡抗滑稳定复核计算,在各种工况下的坝坡抗滑稳定最小安全系数成果见表7,坝坡最不利滑弧位置图见图1～图7,均满足规范的要求。

表7 坝坡抗滑稳定计算成果表

图1 正常蓄水位稳定期坝坡滑弧（K上=1.889,K下=1.366）

图2 设计洪水位稳定期坝坡滑弧（K上=1.945,K下=1.338）

图3 设计洪水位～正常蓄水位坝坡滑弧（K上=1.851）

图4 校核洪水位稳定期坝坡滑弧（K上=1.985,K下=1.323）

图5 正常蓄水位～死水位坝坡滑弧（K上=1.678）

图6 校核洪水位～正常蓄水位坝坡滑弧（K上=1.832）

图7 正常蓄水位遭遇地震坝坡滑弧（K上=1.542，K下=1.207）

4 大坝结构安全综合评价

宝鸭塘水库大坝结构总体较好,大坝经过多年的沉降,大坝上游草皮护坡局部存在不平整,根据水库大坝运行管理和工程实际情况,通过对大坝坝坡稳定分析,在各工况作用下,坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求,故大坝结构安全性评价为B级。

5 结语

宝鸭塘水库坝体填筑年代较长,填筑初期已经过人工分层碾压,加之长期的天然固结已基本稳定,不存在塌陷、裂缝和生物洞穴,坝体与山坡的整体性较好。根据计算分析,大坝在各种工况下坝坡出逸比降小于允许渗透比降,坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。但在日常运行管理中发现,大坝左岸坝坡、排水棱体与坝坡接触面处有渗水现象,在日后运行管理中需加强观测与管护,适时进行除险加固处理,以提高大坝防渗能力和稳定性。