鸡姆塘水库大坝除险加固渗流与坝坡稳定分析

周子宜

(广东河海工程咨询有限公司，广东 茂名 525000)

1 工程概况

鸡姆塘水库位于高州市镇江镇，是一个以农业灌溉为主，兼顾防洪功能的小(2)型水库工程，总库容为13.08万m3。

鸡姆塘水库现状主要建筑物包括大坝、溢洪道、输水涵等，其中，大坝为均质土坝，溢洪道为正槽开敞式溢洪道，输水涵管为坝下涵管形式。主要建筑物级别均为5级，次要建筑物级别为5级。溢洪道位于大坝坝肩右侧，为开敞式溢洪道，无闸控制，过流宽度为2.20 m，两侧挡墙为砖砌结构，高1.30 m。输水涵管位于大坝左侧，采用斜卧管式进水口，坝下涵管为Φ800钢筋混凝土涵管，直径为0.80 m，长度为26 m。鸡姆塘水库大坝经除险加固后，大坝总长115 m，最大坝高为8 m，坝顶宽度约5 m。

鸡姆塘水库大坝由素填土组成。坝基主要由粉质黏土层和全风化变质砂岩层组成。粉质黏土层厚度2.9～3.4 m，层底高程为30.37～30.48 m，基础承载力特征值为130 kPa，天然含水量为29.2%～31.3%，平均值为30.3%；孔隙比0.89～0.95；塑性指数为13.40～13.87，平均值为13.64。全风化变质砂岩层为砖红色、黄褐色，全风化砂土状，岩体风化剧烈，岩芯多呈散体状，标贯击数为34击/30 cm。该层揭露厚度2.2～2.9 m，层底高程为24.38～24.67 m。

本文对经过除险加固后的鸡姆塘水库大坝进行渗流与坝坡稳定计算，具体而言，选取鸡姆塘水库大坝典型断面，采用二维渗流有限元法进行渗流稳定计算分析，并采用刚体极限平衡法中的简化毕肖普法对坝坡进行稳定计算分析。鸡姆塘水库大坝典型断面如图1所示。

2 大坝坝顶高程复核

鸡姆塘水库大坝等级为5级，根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189—2013)[1]，坝顶在水库静水位以上的超高计算如式(1)：

Y=R+A

(1)

式中：Y为坝顶超高，m；R为波浪沿着坝坡的最大爬高，m；A为安全加高，m，对于 4级、5级坝，设计工况取0.5 m，校核工况取0.3 m。

2.1 计算参数的选取

(1)风速W。库区无实测气象资料，采用高州市多年平均年最大风速为14.6 m/s。根据规范SL 189—2013规定：正常运用条件下，采用多年平均最大风速的1.5倍，即21.9 m/s。非常运用条件下，采用多年平均最大风速14.6 m/s。

(2)吹程D为80 m。

(3)水域平均深度Hm。设计水位条件下，水库静水位40.05 m，水域平均深度6.84 m；校核水位条件下，水库静水位40.25 m，水域平均深度7.03 m。

(4)波浪爬高R。根据规范SL 189—2013，对于4级、5级坝，应先计算平均波浪爬高值Rm，再根据平均波高与坝前迎水面水深的比值(hm/H)，查得Rp/Rm比值，从而求得累计频率爬高值Rp。鸡姆塘水库按正向来波单坡考虑，迎水坡坡度m为2.25，平均波浪爬高Rm计算如式(2)：

(2)

式中：KΔ为斜坡糙率渗透性系数，取0.90；KW为经验系数；Lm为平均波长，m。其中，平均波高hm、平均波长Lm采用莆田试验站公式计算[2]。

2.2 计算结果

坝顶高程等于水库静水位与超高之和，并按不同运行条件计算，取计算结果的较大值，计算结果如表1 所示。水库大坝工程所在地区地震基本烈度为Ⅶ度，地震安全加高值取0.6 m。

表1 大坝坝顶高程计算结果

由表1可知，对水库大坝三种工况进行坝顶高程复核，水库设计工况时，水库坝顶高程为41.01 m，校核工况时，坝顶高程为40.79 m，地震工况时，坝顶高程为41.03 m。鸡姆塘水库大坝经除险加固后的坝顶高程为41.10 m，坝顶高程复核满足要求。

3 大坝渗流稳定计算

3.1 渗流计算工况

按规范(SL 274—2020)[3]规定，对以下水位组合的工况进行计算：

工况一：上游正常蓄水位39.55 m时形成的稳定渗流情况。

工况二：上游设计洪水位40.05 m时形成的稳定渗流情况。

工况三：上游校核洪水位40.24 m时形成的稳定渗流情况。

工况四：正常蓄水位39.55 m降至死水位35.30 m时形成的非稳定渗流情况。

3.2 地质参数

大坝典型断面各区岩土层的渗透系数根据相关勘测资料进行取值，大坝渗流稳定计算所选用的地质参数见表2。

表2 各土层主要物理力学指标建议值

3.3 渗流计算方法

采用二维渗流有限元法进行渗流计算分析，计算程序为理正岩土中的有限元渗流计算软件，计算方法为有限元法，主要依据是非饱和土理论[4]、达西定律[5]等。

2.3.1 二维渗流有限元法原理

对于稳定渗流，符合达西定律的非均匀各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程，如式(3)[6]：

(3)

式中：φ=φ(x，y)为待求水头势函数；x，y为平面坐标；kx，ky分别为x，y方向的渗透系数。水头φ还需要满足一定的边界条件，一般包括以下几种边界条件：

(1)上游边界水头已知φ0的情况如式(4)：

φ=φ0

(4)

(2)逸出边界水头和位置高程z已知的情况如式(5)：

φ=z

(5)

(3)某边界上渗流流量q已知的情况如式(6)：

(6)

式中：lx和ly为边界表面向外法线在下x，y方向的余弦。

将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头势函数φ为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可得到稳定渗流有限元计算如式(7)所示：

[H]{φ}={F}

(7)

式中：[H]为渗透矩阵；{φ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。

求解以上方程组便可以得到节点水头，在此基础上求得单元的水力坡降、流速等物理量。求解渗流场的关键步骤是确定浸润线的位置。本文计算软件采用的是理正岩土中的有限元渗流计算软件，其用改进平方根法直接求解以上渗流计算方程组，从而可以确定多种边界条件下的大坝浸润线位置。

3.4 大坝渗流稳定计算成果

根据拟定的边界条件对鸡姆塘水库大坝进行渗流分析计算，计算结果见表3。

表3 鸡姆塘水库大坝渗流计算成果

《水闸设计规范》(SL 265—2016)[7]规定：当渗流出口处设有滤层时，允许渗透比降按土的允许渗透比降可增大30%。由渗流计算结果可知：各个工况下，鸡姆塘水库大坝的渗流出逸位置均在下游排水棱体内，出逸比降均小于设有反滤层时的允许水力比降，因此，鸡姆塘水库大坝的渗流是安全的。

4 大坝坝坡稳定计算

4.1 坝坡稳定计算工况

鸡姆塘水库大坝坝坡稳定计算断面与渗流稳定计算的断面一致。根据规范SL 189—2013[7]，结合该水库运行中实际可能出现的不利情况，拟定计算工况如表4所示：

表4 鸡姆塘水库大坝坝坡稳定计算工况

4.2 坝坡稳定计算方法

计算采用刚体极限平衡法中的简化毕肖普法，计算软件采用理正岩土系列软件中的“边坡稳定分析软件”。

瑞典条分法[8]和简化毕肖普法[9]是在岩土工程领域计算边坡稳定系数应用最为广泛的两种方法，都属于极限平衡法的一种。其中，简化毕肖普法是在边坡土体中取一圆弧滑动体，当土体内部所受剪应力大于其最大抗剪应力时，土体就会沿着此圆弧滑动面发生破坏。

4.3 大坝坝坡稳定计算成果

各种工况下，大坝的边坡稳定最小安全系数计算结果见表5。

表5 鸡姆塘水库大坝坝坡稳定计算结果

由表5可知：鸡姆塘水库大坝坝坡稳定最小安全系数出现在考虑地震作用，正常蓄水位时形成稳定渗流的情况下，最小边坡稳定安全系数为1.24，小于规范规定的允许值1.25，因此，鸡姆塘水库大坝坝坡在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位以及考虑地震作用下的正常蓄水位形成稳定渗流的情况下，其上下游坝坡均能保持稳定[10]。

5 结 语

对经除险加固后的鸡姆塘水库大坝进行渗流和坝坡稳定计算分析，评估其能否安全稳定运行，经分析，鸡姆塘水库大坝满足渗流和坝坡稳定要求，安全稳定。