東母溝水庫(kù)大壩滲流及穩(wěn)定計(jì)算分析

陳小洪

摘要：本文以西山區(qū)東母溝水庫(kù)為例，采用里正巖土系列軟件及STAB2008土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)Υ髩芜M(jìn)行滲流及穩(wěn)定分析計(jì)算，以確定大壩在計(jì)算工況下的單寬滲漏量、浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)位置及對(duì)應(yīng)的滲透比降、大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求，大壩抗滑穩(wěn)定是否安全。其成果可為同類(lèi)工程的大壩安全鑒定和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)、大壩、滲流、穩(wěn)定

1 工程概況

東母溝水庫(kù)位于長(zhǎng)江流域普渡河水系螳螂川河支流桃樹(shù)箐河上，隸屬西山區(qū)海口鎮(zhèn)管轄，壩址地理座標(biāo)為：東經(jīng)：102°29′51″，北緯：27°26′48″。水庫(kù)控制徑流面積13.1km2，總庫(kù)容65.15萬(wàn)m3，興利庫(kù)容19.83萬(wàn)m3，有效灌溉面積160畝，是一座以防洪為主、兼顧灌溉、下游工況企業(yè)用水的綜合水利樞紐工程。

水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高20.5m，壩頂寬6.4m，壩軸線長(zhǎng)294m，上游壩坡坡比為1:2.42～1:2.64，下游壩坡坡比為1:2.32～1:2.76。由于筑壩土料不均勻，碾壓不密實(shí),施工質(zhì)量差，導(dǎo)致壩體滲漏較為嚴(yán)重，正常蓄水位下浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)偏高，后壩坡大面積散浸，大壩存在滲漏異常，嚴(yán)重威脅下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。

2 大壩滲流分析

2.1 計(jì)算斷面與參數(shù)選取

因現(xiàn)有地質(zhì)資料有限，未能建立三維的數(shù)字計(jì)算模型，因而最終采用大壩橫剖面二維有限元滲流計(jì)算，計(jì)算軟件采用北京理正滲流分析軟件。

滲透系數(shù)的選取，實(shí)際上是隨著反演計(jì)算的逐步逼近、不斷取舍、逐漸收斂而確定的。其具體過(guò)程為：先以鉆孔標(biāo)注的滲透系數(shù)按有限透水地基上的均質(zhì)土壩分區(qū)反推現(xiàn)行庫(kù)水位時(shí)壩體浸潤(rùn)線，再以鉆探期的庫(kù)水位和鉆孔標(biāo)注初見(jiàn)穩(wěn)定水位進(jìn)行反演計(jì)算壩體浸潤(rùn)線，通過(guò)兩條曲線的對(duì)比，以尋求最佳擬合狀態(tài)的滲透性分區(qū)；然后再以此滲透系數(shù)分區(qū)為基礎(chǔ)進(jìn)行其它特征水位下大壩滲流計(jì)算分析。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）以及《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96）的規(guī)定，結(jié)合東母溝水庫(kù)的具體情況，大壩滲流分析計(jì)算包括以下幾種水位組合情況（由于校核洪水位已經(jīng)高于現(xiàn)狀壩頂高程，不進(jìn)行計(jì)算）：

①死水位（1939.00m） + 下游水位（取地面高程）；

②正常蓄水位（1942.00m） + 下游水位（取地面高程）；

③設(shè)計(jì)洪水位（1944.50m） + 下游水位（取地面高程）。

2.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到的壩體單寬滲漏量及壩坡出逸點(diǎn)滲透坡降成果見(jiàn)下表。

壩體和壩基滲漏量統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算工況 單寬滲流量（m3/d/m）

壩體 壩基 壩體+壩基

死水位（1939.00） 1.03 0.74 1.77

正常蓄水位（1942.00） 1.42 1.03 2.45

設(shè)計(jì)水位（1944.50） 1.85 1.21 3.06

滲透穩(wěn)定分析成果表

計(jì)算工況 出逸點(diǎn)水力坡降 臨界坡降i cr 允許水力坡降[i]

死水位（1939.00） J正常=0.651 0.912 0.456

正常蓄水位（1942.00） J設(shè)計(jì)=0.742 0.912 0.456

設(shè)計(jì)水位（1944.50） J校核=0.781 0.912 0.456

2.4 壩體的滲透穩(wěn)定

根據(jù)提供的土樣試驗(yàn)報(bào)告，首先將試驗(yàn)得到的土料的孔隙比換算為孔隙率，然后采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）中的判別方法，根據(jù)土料顆粒分析統(tǒng)計(jì)可知，土料的細(xì)粒含量為：

式中： 為土的細(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)； 土的孔隙率。

由此可見(jiàn)，土料的細(xì)粒含量大于35%，同時(shí)不均勻系數(shù)大于5.0，故其滲透變形破壞為流土型。流土型的臨界水力坡降由下式計(jì)算：

式中： 為土的臨界水力比降； 為土的顆粒密度與水的密度之比； 為土的孔隙率。

Jcr=（2.72－1）（1－0.47）=0.912

計(jì)算得到壩體的臨界水力坡降為0.912，由于流土破壞為整體性破壞，對(duì)大壩危害較大。

允許的滲透坡降按下式計(jì)算：

取安全系數(shù) （取值范圍為1.5～2.0）為2.0，則可得壩體允許的滲透坡降 為0.456。

3 大壩抗滑穩(wěn)定分析

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)的選定

地質(zhì)勘察工作共鉆孔7個(gè)，總進(jìn)尺224m，壓注水試驗(yàn)45段，標(biāo)貫試驗(yàn)20次，取原狀土樣11組。據(jù)鉆孔勘探資料，大壩壩體為含礫粉質(zhì)粘土，壩基上部第四系沖洪積砂卵礫石層；下伏地層為第三系含礫粘土及大海段、中誼村段白云質(zhì)磷塊巖、粉砂質(zhì)白云巖。因此，根據(jù)大壩壩體、壩基巖（土）體的物質(zhì)組成，將大壩劃分為五個(gè)區(qū)，各區(qū)土料及壩基巖（土）體的物理力學(xué)特性分述如下：

Ⅰ區(qū)：為現(xiàn)狀壩體，根據(jù)勘察資料筑土料主要為含礫粉質(zhì)粘土，取原狀土樣試驗(yàn),平均干密度rd=1.45g/cm3，比重Gs=2.72，孔隙比e=0.888，孔隙率n=47.0%，壓縮系數(shù)a0.1～0.2=0.38MPa-1，屬中等壓縮性土，據(jù)鉆孔內(nèi)注水試驗(yàn)資料，滲透系數(shù)為7.1×10-4～2.8×10-4cm/s，屬中等透水層，內(nèi)摩擦角15.0°，凝聚力20kPa。

Ⅱ區(qū)：為壩基上部第四系沖洪積砂卵礫石層，室內(nèi)試驗(yàn)分析，天然密度1.89g/cm3，飽和密度1.97g/cm3，凝聚力18.0kPa，內(nèi)摩擦角17.0°，滲透系數(shù)為7.1×10-4～5.8×10-4cm/s，屬中等透水層。

Ⅲ區(qū)：壩基中部第三系含礫粘土，取原狀土樣試驗(yàn), 平均干密度rd=1.56g/cm3，比重Gs=2.72，孔隙比e=0.628，孔隙率n=38.6%，壓縮系數(shù)a0.1～0.2=0.27MPa-1，屬中等壓縮性土；據(jù)鉆孔內(nèi)注水試驗(yàn)資料，滲透系數(shù)為8.4×10-4～1.43×10-4cm/s，屬中等透水層，內(nèi)摩擦角18.0°，凝聚22.0kPa。

IV區(qū)：壩基下部白云質(zhì)磷塊巖、粉砂質(zhì)白云巖，巖石全～強(qiáng)風(fēng)化，相對(duì)隔水層頂板埋深（q≦10.0lu）40.0m，天然密度2.20g/cm3，飽和密度2.25g/cm3，凝聚力40.0kPa，內(nèi)摩擦角24.0°，滲透系數(shù)為9.12Lu～15.25Lu，屬中等、弱透水層。

V區(qū)，庫(kù)區(qū)內(nèi)淤積，根據(jù)工程類(lèi)比，天然密度1.55g/cm3，飽和密度1.55g/cm3，凝聚力17.0kPa，內(nèi)摩擦角5.0°，滲透系數(shù)為1×10-5cm/s，屬、弱透水層。

壩體穩(wěn)定計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)容重取算術(shù)平均值，凝聚力和內(nèi)摩擦角取用小值均值。

3.2 計(jì)算原理

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96），壩坡的穩(wěn)定分析采用簡(jiǎn)化畢肖普有效應(yīng)力法計(jì)算，其穩(wěn)定安全系數(shù)按下列公式計(jì)算：

式中： —安全系數(shù)；

—土條重量；

—水平地震慣性力；

—作用于土條底面的孔隙壓力；

—條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；

—土條寬度；

、 —土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；

—水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；

—圓弧半徑。

3.3 穩(wěn)定分析成果

對(duì)大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析計(jì)算,采用實(shí)測(cè)剖面對(duì)水庫(kù)運(yùn)行中可能發(fā)生的工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見(jiàn)下表：

東母溝水庫(kù)大壩穩(wěn)定分析成果表

工作條件 序號(hào) 計(jì)算工況 畢肖普法

抗滑安全系數(shù) 規(guī)范允許值

正

常

運(yùn)

用

Ⅰ 上游 1 設(shè)計(jì)洪水位1944.50m 2.389 1.25

2 正常蓄水位1942.00m 2.060 1.25

3 死水位1939.00m 1.766 1.25

4 正常蓄水位1942.00m緩降至死水位1939.00m 1.683 1.25

下游 5 設(shè)計(jì)洪水位1944.50m 0.900 1.25

6 正常蓄水位1942.00m 0.993 1.25

7 死水位1939.00m 1.104 1.25

非

常

運(yùn)

用

Ⅱ 上游 8 設(shè)計(jì)洪水位1944.50m +8°地震 1.520 1.10

9 正常蓄水位1942.00m +8°地震 1.407 1.10

10 死水位1939.00m +8°地震 1.302 1.10

11 正常蓄水位1942.00m緩降至死水位1939.00m +8°地震 1.247 1.10

下游 12 設(shè)計(jì)洪水位1944.50m +8°地震 0.723 1.10

13 正常蓄水位1942.00m +8°地震 0.807 1.10

14 死水位1939.00m +8°地震 0.898 1.10

正常蓄水位無(wú)地震工況下的最危險(xiǎn)滑弧位置如圖2。

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)東母溝水庫(kù)大壩進(jìn)行滲流及穩(wěn)定分析計(jì)算，結(jié)果表明：該壩浸潤(rùn)線較高，各計(jì)算工況下浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)滲透比降均大于滲透變形允許的水力比降，大壩壩體滲流不穩(wěn)定；大壩上游壩坡在任何工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范值，下游壩坡在任何工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范值，大壩抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，抗滑穩(wěn)定不安全。需要對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，提高壩體防滲能力和抗滑穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96）；

[2]《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）；

[3]《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）；

[4]土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析—原理?方法?程序[M] 中國(guó)水利水電出版社；

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。