長青水庫大壩滲流及穩定分析

張曉元 宋思敏 李長城

（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室 武漢市 430072）

前言

長青水庫位于湖南省郴州市蘇仙區，距郴州市城區11 km。壩址以上水庫承雨面積17.5km2，流域多年平均降雨量1534mm，水庫校核洪水位220.41m，設計洪水位219.68 m，正常蓄水位218.00m，死水位195.50m，總庫容1602萬m3，是一座兼有灌溉、防洪、發電等綜合利用的中型水庫。

水庫大壩為粘土心墻壩，壩頂高程222.0m，壩高32.4 m，大壩全長201m。在水庫運行過程中，根據水庫大壩滲漏量資料顯示，庫水位增高，滲漏量增大，庫水位降低滲漏量相應減少，1996年以后滲漏量有明顯增大的趨勢，明顯出現了異常滲漏，2005年6月24日，長青水庫大壩在遭遇暴雨且水庫水位較高時，大壩壩頂靠下游側在粘土心墻和下游壩殼體的結合面處出現的一條基本上貫穿整個壩頂的裂縫，顯示大壩存在著嚴重的安全隱患。

鑒于長青水庫大壩存在的異常滲漏及結構安全隱患問題，筆者根據其工程地質狀況對大壩存在問題的壩段進行了滲流及穩定計算分析。

1 滲流分析

1.1 計算方法及計算參數

滲流計算采用有限元方法進行平面滲流計算，采用理正滲流分析軟件進行計算。

計算斷面選擇大壩最大壩高斷面。該斷面包含該壩址的所有地質情況，具有較可靠的地質鉆孔資料和試驗結果，因此確定以該斷面作為代表性斷面進行計算。大壩計算斷面見圖1。

圖1 大壩最大壩高斷面圖

滲透系數根據地質勘探資料取值見表1。計算工況對應水位見表2。

表1 長青水庫大壩滲透系數及允許滲透坡降值

表2 計算工況對應水位

長青水庫水位從校核洪水位～正常蓄水位驟降隨時間變化的過程按表3取值。

表3 長青水庫水位從校核洪水位～正常蓄水位驟降過程計算取值

正常蓄水位～死水位降落主要考慮水庫需要放空時的工況，水庫放空一般可采取在一段時間內逐漸放空，放空時間一般較長，長青水庫的放空時間取42天。水庫水位從正常蓄水位～死水位降落隨時間變化的過程按表4取值。

表4 長青水庫水位從正常蓄水位～死水位降落過程計算取值

校核洪水位～死水位降落主要考慮水庫遭遇校核洪水時，又發生輸水隧洞閘門破壞的情況，按實際泄流能力泄流。水庫水位從校核洪水位～死水位降落隨時間變化的過程按表5取值。

1.2 計算結果及分析

對于上述給定滲透系數和上下游水位條件，采用有限元方法對大壩計算斷面進行了恒定滲流和非恒定滲流計算。表6列出了用有限元方法計算得出的長青水庫大壩單位長度壩體和壩基的恒定滲流量及大壩心墻下游面、下游壩殼溢出處的滲透坡降。

表5 長青水庫水位從校核洪水位～死水位降落過程計算取值

表6 長青水庫大壩單位長度恒定滲流量及溢出處的滲透坡降

圖2和圖3分別為用有限元方法計算得出的大壩最大壩高斷面在正常蓄水位和校核洪水位工況下恒定滲流的測壓管水頭等值線圖。

圖2 大壩最大壩高斷面正常蓄水位測壓管水位等值線圖

圖3 大壩最大壩高斷面校核洪水位測壓管水位等值線圖

圖4為用有限元方法計算得出的大壩最大壩高斷面在水庫水位從正常蓄水位降落至死水位非恒定滲流工況下不同時刻的水面線位置圖。

圖4 大壩最大壩高斷面正常蓄水位～死水位降落水面線變化過程圖

從表6所列用有限元方法計算得出的長青水庫大壩單位長度壩體及壩基恒定滲流量基本正常。數據顯示：心墻下游面的最大滲透坡降為0.8，由于心墻兩側均設置了反濾層，因此，在正常的滲流情況下，心墻下游面不會發生滲透破壞；在下游壩殼出溢處的最大滲透坡降為0.4，下游壩殼出溢處滲透坡降均不大于允許滲透坡降（下游壩殼允許滲透坡降為0.4），不會出現滲透破壞現象。

2 大壩下游壩坡抗滑穩定計算

由于大壩為心墻土壩，對于大壩壩坡的整體穩定分析，根據《土工原理與計算》[1]、《碾壓式土石壩設計規范》[2]，可采用簡化畢肖普方法計算壩坡抗滑穩定安全系數，并在計算中計及滲流水壓力的影響。

物理力學指標據地質勘察資料確定，物理力學參數見表7，其中堆石棱體材料容重取21kN/m3，凝聚力為0，摩擦角為35°。

表7 長青水庫大壩填土物理力學參數取值

分別對上游水位為正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位幾種工況進行了上下游壩坡的抗滑穩定分析。各種計算工況下的壩坡最小抗滑穩定安全系數列于表8。

表8 長青水庫大壩斷面壩坡穩定計算成果

表8所列成果表明：長青水庫大壩上、下游壩坡的最小抗滑穩定安全系數遠小于規范允許值，壩坡不能滿足穩定要求。由于滲流的作用，上游壩坡在遭遇水庫水位大幅度降落時 （如水庫水位從正常蓄水降落至死水位及從校核洪水位降落至死水位），壩坡抗滑穩定安全系數減小較多，此時上游壩坡嚴重失穩，應避免這種工況的發生。滲流對下游壩坡抗滑穩定安全系數的影響亦較大。

3 結語

本文通過對長青水庫大壩最大壩高斷面進行滲流計算，得出了計算斷面測壓管水頭等值線圖、單位長度壩段恒定滲流量及心墻和下游壩殼的溢出坡降。計算結果表明：在各種滲流作用下，心墻的溢出坡降較大，但由于心墻下游側設置了反濾層，因此，不會產生滲透破壞；下游壩殼的溢出坡降小于土體的允許滲透坡降，不會產生滲透破壞。但是，從圖1可以看出，長青水庫大壩心墻下游側上部未設反濾層，因此，在遭遇持續暴雨引起的滲流狀態，則心墻下游側可能產生滲透破壞。

通過對長青水庫大壩最大壩高斷面進行抗滑穩定計算，得出了計算斷面上下游壩坡的最小抗滑穩定安全系數。計算結果表明：長青水庫大壩上、下游壩坡的最小抗滑穩定安全系數遠小于規范允許值，壩坡不能滿足穩定要求。由于滲流的作用，上游壩坡在遭遇水庫水位大幅度降落時（如水庫水位從正常蓄水降落至死水位及從校核洪水位降落至死水位），壩坡抗滑穩定安全系數減小較多，此時上游壩坡嚴重失穩。滲流對下游壩坡抗滑穩定安全系數的影響亦較大。

通過對長青水庫大壩的滲流及抗滑穩定分析，揭示出滲流對于土壩壩坡的抗滑穩定影響很大，對任何土壩壩坡進行抗滑穩定分析時必須考慮滲流的影響。

1 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：中國水利水電出版社，1996 .

2 中華人民共和國水利部.碾壓式土石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2002 .