楼庄子水库大坝渗流及稳定性分析

周晓浩

（新疆维吾尔自治区白杨河流域管理局，新疆乌鲁木齐 830000）

大坝的稳定性是根据其边坡稳定性、渗流稳定性或地震稳定性综合分析评估的，其中坝体的抗渗稳定性是判断其是否安全、是否发生大量渗漏的关键因素[1，2]。当前，一些学者主要采用现场试验和数值模拟的方法来进行研究，然而现场试验费用高昂，因此数值模拟方法成为当前热点研究工具。温青山[3]针对某水利枢纽大坝不同工况下渗流场特征，利用MIDAS GTS有限元软件建立数值模型，分析校核水位、正常蓄水位、死蓄水位3种工况下渗流稳定性；李宏伟[4]以达坂地区某水库大坝为研究对象，利用ANSYS数值建模分析平台，研究该水库大坝渗流稳定性，获得了大坝在正常蓄水位、满蓄水位、试验水位3种工况下渗流场特征参数分布；云涛[5]基于Autobank模拟了宁夏旗眼山水库大坝在不同防渗方案下的坝体浸润线、位势分布、坝基日单宽流量、下游出逸渗透比降等参数；朱蒙等[6]利用Geostudio软件，对洛阳市涩草湖尾矿库在前期降雨及主降雨条件下的渗流稳定性展开数值模拟分析；虎珀等[7]基于有限元原理以及渗流场与温度场在各种方面的相似性，将ANSYS软件中的热分析模块运用于土石坝渗流场的计算中。此外还有部分学者通过一些流体力学软件对坝体稳定性进行了分析[8，9]。以楼庄子水库工程为分析对象，采用Geo Studio软件中的Seep/W和Slope/W程序进行渗流和稳定性分析，并提出相应加固措施，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

楼庄子水库工程位于头屯河上游中低山区、昌吉市硫磺沟镇以南25 km处，距下游楼庄子村8 km，距昌吉市约75 km，距乌鲁木齐市89 km。现有县道X125从工程区穿过，乌奎高速公路和北疆铁路从工程区下游通过。有道路通往昌吉市、乌鲁木齐市，均为沥青混凝土路，交通较为方便。头屯河发源于天山山脉中部的喀拉乌成山北坡，东与乌鲁木齐河相邻，西与三屯河接壤，干流全长190 km，流域总面积2885 km2，其中山区流域面积1638 km2、制材厂站以上集水面积840 km2、哈地坡以上集水面积1562 km2，地理坐标介于东经86°42′～87°37′和北纬43°10′～44°44′。流域最高峰海拔4562 m，地势南高北低，由西南向东北倾斜，依次为高山区、中高山区、低山区、山前倾斜平原区以及平原沙漠区。水库位于制材厂水文站与哈地坡水文站之间，坝址以上集水面积1174 km2，在行政区划上头屯河左岸属昌吉市硫磺沟镇管辖、右岸属乌鲁木齐县管辖。水库坝址位于东经87°01′1l″～87°03′00″和北纬43°33′00″～43°34′11″。

2 数值模型与计算参数

本次建立的坝体黏土心墙坝方案的防浪墙顶高程1401.50 m，坝顶高程1400.30 m，最大坝高82.6 m，坝长570.31 m，坝顶宽度10.0 m，坝顶采用沥青混凝土路面。为排除雨水，顶面向下游单向倾斜，坡度为2%。坝顶上游侧设防浪墙，墙顶高出坝面1.2 m，墙高3.3 m。上游坝坡坡比为1∶2.5，下游坝坡布置“之”字形上坝道路，道路间坝坡坡比为1∶2.0，道路宽6.0 m，坡度分别为7.5%，采用沥青混凝土路面。上游坝坡采用C30F300现浇混凝土板护坡，护坡厚0.25 m。混凝土板分块尺寸为4 m×4 m，在死水位以上每块护坡板上布置5个排水管。上游围堰与坝体结合，顶高程1349.50 m，上游坡度1∶2.5，下游坡度1∶1.5，顶宽10 m，与上游坝壳结合5 m。下游坝坡采用混凝土网格梁填六棱块，网格梁间距5.1 m×5.3 m。下游坡脚处设置宽2.0 m的排水棱体，顶高程1326.50 m，内坡1∶1，外坡1∶1.5，简化模型如图1所示。

图1 数值模型

数值分析网格采用精细划分模式自动生成，由29173个单元和42656个节点组成，然后使用VG模型，通过水头差进行渗流分析。黏土心墙坝防渗土料取自T1、T2料场，土质为低液限黏土。土料组成以粉粒为主，粉粒含量78.75%～80%，黏粒含量20%～25%，液限25～27.6，塑性指数11.9～12.25，自由膨胀率3%～6.16%，为非膨胀性土，对土的分散无促进作用，且无分散性。数值分析利用Geostudio软件开发了一个二维有限元模型，对大坝进行渗流分析。大坝在运行条件下保持稳定，包括不同的水位和荷载条件，应在坝顶设置适当的出水口，以避免漫顶。渗流分析通常基于一个模型或方程进行，使用边界条件、水力梯度和材料属性来描述渗流现象。渗流分析的核心是达西公式：

式中：Q为渗流量（m3/s）；K为渗透率（m/s）；A为横截面面积（m2）；h1、h2分别为坝体流入、流出的水位（m）；L为渗流的长度（m）。

本次数值计算参数，详见表1。

表1 本次数值计算参数

3 渗流结果分析

本文使用有限元程序Seep/W对大坝渗流进行了研究。大坝前后的边界条件如图2所示，其中上游侧水头为22.6 m、下游侧水头为0，渗流分析结果如图3所示。由图3可知，在稳定状态下，浸润线穿过下游斜坡处的坝体，不与下游坝体面相交，因此不会导致下游边坡软化或坍塌。最大孔隙水压力位于上游过渡带底部，这是因为水位（22.6 m）下的初始孔隙水压力高于任何其他水位下的值。孔隙水压力随着水的高度、速度矢量大小（矢量箭头）、通过颗粒的流动路径和通过坝体的平均流速的增加而增加，为0.061279 m3/d。此外水平和垂直水力梯度的最大值出现在下游出口点。

图2 稳定状态下边界条件

图3 渗流分析结果

4 坝体稳定性分析

目前，国内外大坝稳定性分析方法包括Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、瑞典圆弧法，在有限元程序Slope/W上都能运用，但一般来说，Mor⁃genstern-Price方法适用于圆形和非圆形破坏面的能力而被视为最佳方法，并满足基础法向力的垂直力平衡。采用Bishop和Janbu方法计算的边坡安全系数，如图4所示。由图4可知，坝体上游比下游边坡中产生的安全系数高，Bishop方法在上游和下游边坡中产生的安全系数均比Janbu方法高。此外，所有安全系数值均高于1.3，因此大坝在天然状态下被认为是稳定的（预计不会出现边坡破坏）。此外，由数值分析结果还可得出，不同方法边坡的滑动面也出现了不同程度的变化。对于大坝下游，Bishop方法的滑动面相比Janbu法更深，下端剪出口在平台区域出现向右移动现象，总体上来看会增大滑坡的体积，但同时也增大了安全系数。

图4 Bishop和Janbu方法计算的边坡安全系数

5 坝体渗流破坏及加固分析

通常渗流破坏是由于水流渗进土体，使土体的密度增加，抗剪强度降低。同时，水在渗流过程中会对土体颗粒施加一个动水压力，这是一个体积力，其大小与流动水的体积、水的容重和水力梯度有关，其方向与水流的方向一致。结构面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，动水压力稍大时就会带走结构面中的填充物颗粒，降低了边坡的稳定性。由于水流对边坡稳定性的影响非常大，所以水流的防治是边坡稳定的重要方面。建议对于土质类的堤坝，可采用劈裂灌浆防渗加固技术。该技术能够在土体的劈裂中形成垂直而连续的防渗体，在达到防渗加固效果的同时，有效控制堤坝关键位置的变形情况，且具有操作简便优势，因此已经在水利工程堤坝防渗加固领域中得到了普遍应用。

6 结论

采用Geostudio软件中的Seep/W和Slope/W程序对楼庄子水库工程进行渗流和稳定性分析。计算结果表明，浸润线穿过下游斜坡处的坝体，不与下游坝体面相交，不会导致下游边坡软化或坍塌，且最大孔隙水压力位于上游过渡带底部，水平和垂直水力梯度的最大值出现在下游出口点。Slope/W分析结果表明坝体上游比下游边坡中产生的安全系数高，Bishop方法在上游和下游边坡中产生的安全系数比Janbu方法高，所有安全系数值均高于1.3，因此认为大坝在天然状态下是稳定的。