某水库粘土心墙坝渗流及坝坡稳定计算分析

钟敏青

(中山翠亨新区工程项目建设事务中心，广东 中山，528400)

1 工程概况

某水库枢纽工程大坝坝型采用传统粘土心墙石渣坝，上游坝体采用弱风化石渣料碾压填筑，下游坝体采用强风化石渣料碾压填筑。鉴于该水库主要用于农业灌溉，库区水位经常发生较大变化，极容易造成粘土心墙坝体内部土体长期处于饱和和非饱和状态，间接削弱坝土体抗剪强度[1－4]。因此，有必要对该粘土心墙坝进行渗流分析和坝体稳定分析，探明坝体可能存在的问题并采取有针对性的修复措施，从而保障水库大坝安全。

该水库三面环山一面地势较低，流域地势东北高，西南低。水库工程坝址区以上流域面积0.1km2，河长0.42km，平均比降43.3‰。工程主要建筑物有大坝、溢洪道、放水设施等。

2 岩土力学参数

根据工程需要，本工程勘察取4～8组粘性土样进行室内物理力学性质试验，粘土试验结果满足心墙的各项指标要求，详细指标见表1。

表1 粘性土室内物理力学性质试验成果

经查询工程所在地土壤为低液限粘土，中等压缩土，较密实。本工程勘察在钻孔内取6组基岩岩芯样，进行室内物理力学性质试验，结果见表2。发现基岩属于弱风化岩，其饱和单轴抗压强度Rc<5MPa，为易软化岩。

表2 弱风化岩层物理力学指标试验结果

3 粘土心墙坝坝体渗流计算分析

首先，根据工程实际要求，对该粘土心墙坝的坝体渗流场进行相关计算。通过渗流计算分析，目的在于确定粘土心墙坝在各种工况下坝体内部的浸润线分布位置以及坝体的单宽渗流量Q[5，6]。渗流计算中所需要的关键参数是坝体材料的渗透系数，本大坝体主要包含了两种土体材料，一是坝壳材料，二是坝体心墙材料。大坝包含的两种材料的渗透系数均采用土工试验建议值，其中坝壳材料渗透系数取5.0×10－4cm/s，而心墙料的渗透系数取1.0×10－6cm/s。之后，根据该水库实际运行情况，选取了上游水位分别为正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位的稳定渗流计算工况，具体水位情况如图1所示。

图1 某水库粘土心墙坝最大横剖面

本次粘土心墙坝坝体的渗流计算时对坝体进行了简易处理，模型大坝上下游坡度均为1∶3，以便于理正软件建模和计算[7－9]。渗流量计算结果见表3，而计算的坝体内浸润线的分布情况见图2－图4。

分析表3可知，在三种工况下通过坝体的单宽渗流量均很小。在正常蓄水位时，单宽渗流量仅有0.279m3/(d·m)，而在设计洪水位时单宽渗流量仅有0.303m3/(d·m)，仅仅增加了0.024m3/(d·m)，即使在上游水位最高的校核洪水位时，单宽渗流量也仅有0.311m3/(d·m)，渗流量都非常小，说明坝体不存在明显的渗漏问题。

表3 粘土心墙坝坝体渗流计算成果

而根据浸润线计算结果(分析图2－图4)可知，在以上三种水位情况，计算得到的浸润线均在合理位置，心墙有效地降低了浸润线在坝体内部的位置，浸润线止于透水性较强的排水棱体。

图2 粘土心墙坝正常蓄水位浸润线

图3 粘土心墙坝设计洪水位浸润线

图4 粘土心墙坝校核洪水位浸润线

4 粘土心墙坝坝坡抗滑稳定计算分析

在上文对粘土心墙坝进行渗流计算分析之后，还需对上下游坝坡的各类渗流稳定和非渗流稳定进行定量计算[11－13]。坝体内各种岩体材料的力学参数指标见表4。

表4 筑坝土体稳定力学计算参数

根据规范要求，本次大坝坝体的抗滑稳定安全系数计算工况包括上游坝坡和下游坝坡的非稳定渗流和渗流工况，详细情况如下:

(1)上游坝坡

工况一:正常蓄水位33.55m，降至死水位21.75m时的非稳定渗流；

工况二:设计洪水位33.9m降至死水位21.75m时的非稳定渗流；

工况三:校核洪水位34m骤降至正常蓄水位33.55mm再降至死水位21.75mm时的非稳定渗流。

(2)下游坝坡

工况一:正常蓄水位33.55m时的稳定渗流；

工况二:设计洪水位33.9m时的非稳定渗流；

工况三:校核洪水位34m时的非稳定渗流。

最终计算出各种工况下抗滑稳定最小安全系数，计算结果见表5。

表5 粘土心墙坝坝坡抗滑稳定计算成果

分析可知，对上游坝坡计算时，在正常运用状态的工况一和工况二时，上游坝坡的最小抗滑安全系数Kmin均大于1.33，满足规范最小允许值要求。而在工况三的非正常运用工况，即上游库水位由校核洪水位34m骤降至正常蓄水位33.55mm再降至死水位21.75mm时形成的非稳定渗流状况时，上游坝坡的抗滑稳定安全系数最小，为1.235，但仍然大于规范最小允许值[1.10]，说明上游坝坡是安全的。而对于下游坝坡，由于受水位变化的影响相比于上游坝坡更小，计算结果显示:在正常运用状态和非在正常运用状态时下游坝坡的抗滑稳定安全系数均大于1.33，也满足规范最小允许值要求。说明该水库粘土心墙坝的上下游坝坡稳定性良好，在各运行工况下不存在坝坡滑动的可能。

5 结论

本文以某水库粘土心墙坝为例，采用理正岩土软件中的渗流分析模块和稳定性分析模块研究计算了在不同运行工况下该粘土心墙坝的渗流量、浸润线位置以及上下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数，得到以下结论以供参考:

(1)在各运行工况下通过该粘土心墙坝坝体的单宽渗流量均很小，最大也不超过0.311m3/(d·m)，说明坝体不存在明显的渗漏问题。

(2)在各运行工况下，计算得到的浸润线均在合理位置，内部心墙可以有效地降低浸润线在坝体内部的位置。

(3)在坝体形成稳定渗流和非稳定渗流时，该粘土心墙坝的上下游坝坡最小抗滑安全系数均大于规范最小允许值要求。说明该水库粘土心墙坝的上下游坝坡稳定性良好，在各运行工况下不存在坝坡滑动的可能。