大坝加固工程稳定分析研究

摘 要：某水库是一座以供水，灌溉为主，并兼有养殖等综合效益的V等小（2）型工程。大坝目前存有稳定隐患。本次设计根据工程现状和安检意见，综合分析工程情况，对坝体加固设计。坝体进行渗流分析和坝坡稳定计算，结果显示坝体满足渗流和稳定要求。

关 键 词：坝体；渗流；稳定；计算；

一、工程现状

李家沟水库枢纽工程大坝为均质土坝，通过本次测量及地质勘查得知，水库现状大坝最大坝高17.56m，顶宽度4.6m，坝轴线长约152.545m，坝顶高程在500m～500.10（相对高程）之间。上游坡比1：2.0，下游坡比1：1.8。排水棱体顶宽度1.5m，高程484.00m，外侧坡比1：0.3，内侧坡比1：1.5。

本工程是在50年代末期建设完成的，并于65年因渗漏坝体滑动处理，77年洪水漫坝失事，再次加固处理。由于当时历史条件限制，工程设计施工均存在诸多先天问题。

二、大坝稳定渗流复核计算

（1）设计计算工况

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189―96）中关于渗流计算的相关要求，渗流计算两种工况如下：

工况①：上游校核洪水位以及对应下游水位；

工况②：上游正常蓄水位以及对应下游水位；

（2）计算边界条件

根据规范和坝体实际情况，坝坡渗流计算断面选定坝体实测最大断面，土层分界根据地勘资料确定。

最大坝高17.56m，坝轴线152.545m；坝顶宽度4.6m；上游坡比1：2.0、下游坡比1：1.8；校核洪水位时，上游水位498.98m，对应下游水位483.96m。正常蓄水位时，上游水位497.20m，对应下游水位483.96m。游排水棱体顶宽1.5m，外坡1：0.3，内坡1：1.5；

（3）渗流计算软件及方法

对于符合达西定律的二向均质、各向同性土体的渗流，当土体已完全固结时其水头函数符合拉普拉斯方程式。

渗流计算分析采用北京理正软件设计研究院编制的土石坝二维渗流计算程序渗流分析软件5.1版，程序的求解方法是基于三角形单元的有限元法，用改进平方根法的直接解法求解线性代数方程组。

（4）计算结果分析

①不同工况下的流网图经过里正软件计算，对于工况①校核洪水位498.98m时坝体和坝基流网图和工况②正常蓄水位497.20m时坝体和坝基流网，坝体侵润线位置、坝体和坝基流网图见图1、2：工况①和工况②浸润线出逸点均位于排水棱体顶部以下，故坝体出逸点不会发生渗流破坏。

②不同工况下的渗流量

经过计算，工况①和工况②渗流量计算结果见表1。

对于工况①，即当洪水达到校核水位498.98m时，坝体渗流总单宽流量为0.12（m3/d-s），坝轴线总长152.545m，即坝体渗流总量18.85m3/d。

对于工况②，即当洪水达到正常蓄水水位497.20m时，坝体渗流总单宽流量为0.09（m3/d-s），坝轴线总长157m，即坝体渗流总量13.51m3/d。

因此，根据上述计算结果，坝体渗流量不严重。

三、大坝稳定复核计算

坝坡抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法，分别利用瑞典圆弧法和简化毕肖普法进行分析计算。计算成果见表2。

根据以上成果分析，上游坝坡稳定安全系数满足规范要求，即上游坝坡是稳定的；下游坝坡稳定安全系数小于规范规定值，说明下游坝坡不稳定，需要对其进行加固处理。

（1）基本参数取值

原坝土试验资料的整理分析，其物理性质指标和渗透系数采用算术平均值，压缩系数为大值平均值。坝体土抗剪强度C、φ值在不同垂直压力作用下，采用两种方法整理，一是图解法：取同比例尺直角坐标，绘制τ～p曲线，该线的斜率及在纵轴上的截距，得tgφ、C值为标准值。二是解析法：采用式τ=ptgφ+C，计算tgφ和C标准值。

根据地勘取样深度和稳定分析指标所在分区位置，对各区试样的土工试验物理力学指标进行统计分析。不同分区的计算参数根据本次初步设计工作开展的勘探试验成果及类比类似工程，参照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中试验成果整理方法确定。计算所采用的土料的物理性能指标湿容重、饱和容重选用各区土样实验指标的算术平均值。浸润线以下坝体填土和坝基冲洪积粉质土的抗剪强度采用钻孔样三轴试验指标的平均值，浸润线以上坝体填土的抗剪强度采用天然状态直剪试验指标的平均值，C值考虑到试验的人为因素影响，取试验值的1/3。以上述取值分析为基础，结合水库大坝多年的运行稳定情况，参照类似工程经验，在保证安全合理的条件下，综合工程类比分析并经反算验证后，最终确定坝体土料主要物理力学计算指标。根据岩土试验资料和岩土的野外鉴定特征，且与同类工程比较分析，大坝稳定复核岩土的物理力学指标值如下：

1 ）坝体填筑土

坝体浸润线以上：密度ρ=1.90 g/cm3；

坝体浸润线以下：密度ρ=1.95 g/cm3；

渗透系数：k=3.01×10-1cm/s；

抗剪强度指标：φ=23°，C=23kpa。

2）坝体防渗土

密度ρ=1.7 g/cm3；

渗透系数：k=3.00×10-4cm/s（有明显渗水点）

k=3.00×10-5cm/s（其余部分）

抗剪强度指标：φ=17°，C=31kpa。

（2）计算工况

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189―96）的规定，结合水库的实际情况，选定下游坝坡稳定分析计算工况为正常情况，正常蓄水位497.2m，稳定渗流。

（3）复核成果

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的规定，坝坡抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法，分别利用瑞典圆弧法和简化毕肖普法进行分析计算，的下游坝坡最小安全系数Kmin为1.28大于规范规定值1.15，故培厚后的下游坝坡满足抗滑稳定。

四、 结论

根据计算显示，大坝坝体存在渗流，但渗流不严重，需要对坝体渗流进行处理；对多工况坝体抗滑稳定安全进行计算，计算显示坝体前后坝坡稳定满足规范要求。

我国存在千余座小水库，水库安全也影响着千万民众的生命财产安全。对小水库进行除险加固设计以及风险评估是有必要的，本文以实际工程为例说明土石坝渗流稳定和抗滑稳定复核计算详细步骤，为类似工程提供指导和借鉴意义。参考文献

[1]中国电力工业部. 《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）；

[2]《水电枢纽工程等级划分及洪水标准》SL252-2000；

[3]吴持恭 《水力学》 北京：高等教育出版社 1982；

[4]《水工混凝土结构设计规范》DL/T 5057-1996；