某水库坝体渗流及稳定性分析

摘要：大坝坝基、坝体渗流变形稳定及坝体抗滑稳定计算是分析坝体安全评价的重要指标。本文选取了河南省某县某水库地质条件比较复杂的断面，对加固前后的水库坝体、坝坡稳定计算结果进行分析，对水库进行定量和定性的评价，计算结果对水库的除险加固的处理提供了理论依据。

关键词：粘土心墙坝；渗流计算；稳定分析

1 引言

到目前为止，国家尽管对全国许多大中小型病险水库的安全进行鉴定和加固做出了总结，但是还有很多工作需要去做，为今后的大坝加固和鉴定及设计和施工提供技术及理论支持。

本文通过以某小型水库心墙坝的安全鉴定和加固，介绍了大坝中的渗流情况和渗透变形破坏情况对大坝的危害，为坝体的施工提供借鉴。

2 坝身及坝基工程地质评价

水库位于某县境内，距县城约13km。坝址位于灌河支流下马河，是一座以防洪、灌溉为主，结合水产养殖等综合利用的小（2）型水库。大坝为砂壳心墙坝，坝顶高程101.6 m，最大坝高17.2m，坝长51.1m。坝顶泥结碎石路面，宽3.2m；上游现状干砌石护坡拆除新建C20混凝土，坡比1：3.0、1：4.0；下游新建草皮护坡，坡比1：2.5；续建排水棱体，顶高程为85.6m，宽2m，外坡为1：1.5。

库区工程地质条件及坝体、坝基质量如下：

坝体为粘土心墙坝，砂壳由中粗砂，充填壤土碾压填筑而成，心墙由砂壤土杂砾石碾压填筑而成。砂壳渗透系数范围值为1.10E-03～2.20E-03cm/s，具中等透水性；心墙天然干密度平均值1.62g/cm3。室内试验渗透系数范围值为1.60E-06～9.80E-04cm/s，现场注水试验渗透系数范围值为2.90E-04～4.90E-04cm/s，具中等透水性。

由于该水库存在渗漏问题，根据工程地质情况，对大坝进行防渗计算和稳定分析。

3 渗流计算及稳定性分析

根据地质勘测资料，对大坝典型断面进行渗流场分析。大坝渗流分析采用采用有限元法计算；计算断面为大坝主河槽段最大坝高断面（桩号B0+010）。

3.1计算原理及基本参数

a）计算原理

采用有限元分析法求解渗流场.稳定渗流方程为：

（公式3-1）

式中：k――土的渗透系数；

Ф――势函数， Ф=（P/γW）+γ

γw――水的容重；

P――水压力.

对于土石坝的无压渗流情况，先假设一个大致的自由表面初始位置，程序通过反复迭代和修改自由表面位置，使其满足规定的边界条件，得到新的自由表面，此线即为第一条流线即浸润线。

b）计算工况

根据有关规范[1]，设计阶段设计深度参照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96），坝体渗流计算工况为：

（1）设计洪水位；（2）兴利水位；（3）死水位；

通过计算，得出各种工况渗流逸出点附近的渗透坡降、坝体渗流量及浸润线。

c）计算参数

大坝坝体由人工填土组成，坝基为双层结构，上层为重粉质壤土，下层为全～强风化砂砾岩。

各层地质单元渗透系数如下：

坝体填土（砂壳）： k=1.7×10-3cm/s

坝体填土（心墙）： k=6.0×10-4cm/s

卵石： k=1.0×10-3cm/s

强风化辉绿岩： k=7.0×10-4cm/s

本次大坝渗流稳定分析按有限深透水地基上的粘土心墙坝计算。

3.2计算结果

大坝渗流计算结果分列于下：

1）兴利水位

①浸润线的计算

由程序计算得浸润线在坝内的位置和浸润线，逸出点位于下游坝坡。

②渗流量计算

由程序计算出每天的渗流量为：Q=5.289m3/（d・m）

③渗透坡降分析

由于大坝下游无排水设施，坝体浸润线较高，坝体内最大渗透坡降出现在出逸点附近，为0.69。

按照《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，允许渗透坡降：

[J]=（Gs-1）（1-n）/K

式中： Gs―表层土的土粒比重，坝体取2.65；

n―表层土的孔隙率，

按照勘探部门提供的坝体孔隙比e=0.703，计算的孔隙率n=e/（1+e）=0.413，

K―安全系数，取1.5～2，此次取2。

坝体：[J]=（2.69-1）（1-0.479）/2=0.662

因此，坝体允许渗透比降[J]

渗透稳定分析结论：从水库大坝渗流理论[2]计算上看，在高水位运行工况下，坝体渗透坡降大于允许渗透比降，且大坝出逸点较高，下游坝坡易出现冲蚀破坏，故须对大坝采取防渗措施。

4 加固前大坝稳定复核

4.1计算原理及基本参数

a） 坝坡复核断面选取

大坝根据坝高、坝体结构和地基不同情况，选取对坝体稳定起控制作用的断面作为大坝稳定计算典型断面。本次取主河槽处最大坝高断面计算，桩号B0+010。

b） 筑坝土料的物理力学性质

根据《县某水库除险加固工程初步设计阶段工程地质勘察报告》，大坝稳定分析采用的物理力学性指标如表4-1

土层 比重 孔隙

比e 天然密度 饱和密度 渗透系数 原状土快剪 饱和固结快剪

（t/m3） （t/m3） （cm/s） C（kpa） φ（°） C（kpa） φ（°）

砂壳 2.65 0.65 1.7×10-3 0 26 0 30

心墙 2.69 0.703 1.58 1.99 6.0×10-4 15 19 13 22

卵石 1.0×10-3

强风化辉绿岩 7.0×10-4

c） 边坡稳定计算方法

按规范《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的要求，计算方法采用瑞典圆弧法；大坝级别为5级，正常运用条件K≥1.15，非常运用条件I的K≥1.05。

4.2计算结果

坝坡 工况 分析条件 计算安全系数 规范允许安全系数

上游坡 正常 1/3坝高水位稳定渗流期 1.903 1.15

正常 兴利水位稳定渗流期 1.607 1.15

非常 校核水位突降至兴利水位 1.596 1.05

下游坡 正常 1/3坝高水位稳定渗流期 0.783 1.15

正常 兴利水位稳定渗流期 0.762 1.15

从表4-2中可以看出，大坝下游坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求，分析不稳定滑弧位置可知，破坏类型为整体滑动，推测引起滑动破坏的原因为坝体浸润线较高，且大坝填筑质量差。

5 结束语

根据水库大坝的渗流稳定分析可知，为保证大坝渗流稳定，对坝体、坝基础进行灌浆处理[3]，可以有效地降低大坝中的浸润线和坝址地基中的渗透坡降，适当放缓坝坡坡比可以满足规范要求，以保证大坝安全。

参考文献

[1]SL 274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].北京：水利水电出版社，2002.

[2]尹红莲，沈长松，王明森 .堤坝防渗技术试验研究[D].南京：河海大学，2004.

[3]史鹏，焦凤磊 . 中小型病险水库的现状及除险加固措施[J].现代农业科技，2008，（12）：338.