施莊水庫大壩滲流及穩定性分析

徐懷霞 吳小林（山東省臨沂市蘭山區花園灌溉所 臨沂 276038 山東省臨沂市蘭山區施莊水庫 臨沂 276033）

施莊水庫大壩滲流及穩定性分析

徐懷霞 吳小林
（山東省臨沂市蘭山區花園灌溉所 臨沂 276038 山東省臨沂市蘭山區施莊水庫 臨沂 276033）

針對施莊水庫除險加固后的大壩，選取最大壩高斷面，依據不同工況，采用理正系列軟件的“滲流分析軟件”進行滲流計算分析；“邊坡穩定分析軟件”直接讀入滲流計算成果，采用簡化Bishop法自動搜索不同滑弧中心和滑弧半徑，求得具有最小安全系數的滑動面即為最危險滑動面。可為同類水庫大壩降低風險、提高大壩運行安全度提供參考。

施莊水庫 土石壩 滲流分析 穩定性分析 簡化Bishop法

據統計，水庫失事大多是由于滲流和壩坡穩定不合理導致壩坡失穩而造成的。為保證除險加固工程的質量及修復后的土石壩能夠安全運行，在加固后對大壩進行滲流和穩定性分析評價是十分必要的。本文對加固后的施莊水庫大壩的滲流及壩體抗滑穩定進行了分析計算，指出了通過對大壩進行除險加固工程，極大減少了滲流的不利影響，保證了大壩壩坡的穩定，提高了水庫大壩運行的安全性。

1 工程概況

施莊水庫位于臨沂城北35km李官鎮施莊村西蒙河支流朱里河上，西與費區接壤，北與沂南區相鄰，是一座以防洪減災、工業和城鎮供水、灌溉為主，旅游、水產養殖等綜合利用的中型水庫，其工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞組成。大壩為南北方向，全長719m，壩基為砂巖，壩型為粘土心墻砂殼壩，壩頂高程112.6m，壩頂寬6m，最大壩高14.8m。壩坡為干砌塊石護坡，迎水坡度1∶3，大壩背水坡在高程106.0m設戧臺，戧臺寬2m，戧臺以上壩坡為1∶2.5，戧臺以下壩坡為1∶2.75。

大壩除險加固前出現的問題為：大壩心墻填筑質量較差，局部具中等透水性，明顯存在隱患，不符合防滲土料技術要求；大壩0+230～0+380段高程108.46～110.30m為礫質粗砂夾層，且上下游貫通，形成了滲漏通道，嚴重威脅了大壩安全；壩前砂殼填筑較亂，砂、砂壤土混雜，填筑質量較差，特別是0+230～0+470段壩前砂殼存在液化的可能。針對工程特點，2010年對大壩進行了除險加固，全壩段心墻接高，0+216～0+500上游砂殼抗震加固，0+380～0+530壩段壩基滲漏處理，翻修壩腳排水體，壩頂路面、壩頂防浪墻等工程。

2 滲流分析

2.1 計算原理

根據達西定律和連續條件

可得二維滲流方程

式中：vx、vy—x向和y向的滲流流速；

kx、ky—x向和y向的滲流系數；

H—滲流場中某一點的滲壓水頭。

2.2 計算工況

本文選取最大壩高斷面就以下工況進行滲流計算：（1）上游正常蓄水位108.36m與相應的下游最低水位；（2）上游設計洪水位110.29m與相應的下游最低水位；（3）上游校核洪水位111.30m與相應的下游最低水位。各種計算工況下的下游水位，由于無法確定其準確值，計算時均按下游無水來考慮。

2.3 滲流計算

大壩的滲流計算采用北京理正系列軟件的“滲流分析計算軟件”中的有限元分析法來進行，該軟件可以計算壩體內浸潤線和滲流量，壩體、壩基內各點的壓力水頭值、總水頭值和水力比降值，繪制壓力水頭等值線及彩色云圖，總水頭等值線、彩色云圖及各點水力比降彩色云圖等。

壩基和壩體各區材料的滲透系數值根據地質勘探資料及室內滲透試驗結果綜合考慮來確定，各區滲透系數取值見表1。

將壩體的橫截面、各土層特性、水位等參數輸入理正滲流分析計算軟件，選用有限元分析法進行計算。各工況計算成果見表2。

表1 大壩二維穩定滲流分析參數表

表2 各工況滲流分析計算成果表

圖1 正常蓄水位工況下最高斷面水頭等勢線圖

表3 穩定分析計算參數表

表4 各工況穩定分析計算成果表

限于篇幅，給出正常蓄水位及設計洪水位工況下計算的浸潤線、水頭等勢線分別見圖1及圖2。

3 穩定分析

穩定分析的目的是保證土石壩在自重、孔隙壓力、外荷載的作用下，具有足夠的穩定性，不致發生通過壩體或壩基的整體或局部剪切破壞。

3.1 計算原理

壩體邊坡穩定性分析方法主要是建立在極限平衡理論基礎之上，假設達到極限平衡狀態時，土體將沿某一滑裂面產生剪切破壞而失穩。滑裂面上的各點，土體均處于極限平衡狀態，滿足摩爾—庫倫強度條件。本文采用簡化Bishop法進行壩體穩定計算。

圖2 設計洪水位工況下最高斷面水頭等勢線圖

簡化Bishop法穩定性系數計算公式為：

式中：W—土條重量，浸潤線上為天然容重，浸潤線下為飽和容重；

u—作用于土條底面的孔隙壓力；

α—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；

b—土條寬度；

e—土條的水平力至滑弧中心的力臂；

R—圓弧半徑。

3.2 計算工況

壩體邊坡穩定計算所取斷面與壩體滲流分析斷面相同，即為最大壩高斷面，計算時根據該壩的實際情況，針對以下4種工況進行計算：（1）上游正常蓄水位108.36m下的下游壩坡與壩基的穩定性；（2）上游設計洪水位110.29m下的上游壩坡與壩基的穩定性；（3）上游設計洪水位110.29m下的下游壩坡與壩基的穩定性；（4）上游校核洪水位111.30m下的下游壩坡與壩基的穩定性。

3.3 抗滑穩定分析計算

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），土石壩在穩定滲流計算工況下，土體的抗剪強度指標應當采用有效應力法計算，根據施莊水庫地質勘測報告提供的物理力學指標的建議值并類比相似工程選取各物理力學指標參數值見表3。

壩坡的穩定計算采用理正系列軟件的“土石壩邊坡穩定分析計算軟件”來進行，計算時直接讀入相應工況下滲流計算成果，并輸入表3中各參數，采用計及條塊間作用力的簡化Bishop法，自動搜索具有最小穩定安全系數的滑裂圓弧即為最危險滑裂面。本工程大壩邊坡抗滑穩定最小安全系數計算成果見表4。限于篇幅，僅給出工況1的計算成果圖，見圖3。

由表4可見，各計算工況下大壩壩坡的抗滑穩定系數均大于規范要求的最小值，故加固后的大壩抗滑穩定滿足要求。

4 結語

（1）除險加固后心墻粘土土料的滲透系數大大減小，并且比壩殼土料的滲透系數小很多，因此在心墻內滲流的水頭損失很大，下游壩體浸潤線的位置明顯降低，在各個計算工況下，壩體浸潤線出逸點均在棱體排水體頂部以下，使大壩安全性得以提高，壩體原有滲漏問題得到解決，且計算結果表明不會產生滲流破壞的問題。

（2）通過穩定分析，進行除險加固后的施莊水庫大壩壩坡在各種計算工況下的抗滑穩定安全系數均大于規范規定的最小值，其不存在抗滑穩定問題，各工況壩坡穩定均滿足規范要求。

（3）大壩滲流和邊坡穩定分析中，應注意各參數的正確選擇，因參數的確定對結果有很大的影響。土料的滲流系數、有效黏聚力及有效內摩擦角值的選用不僅要注重實驗結果，還要考慮到實驗與實際存在一定的誤差，因此要經過多方面比較來選取，以便更加符合實際工程的需要