大壩滲流穩定及壩坡穩定計算分析

梁峰

（水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

1 概況

樓莊子水庫是頭屯河上游山區控制性骨干工程，工程的主要任務是灌溉、防洪和城市生活及工業供水，是一座綜合利用的水庫樞紐工程。水庫總庫容為7 374萬m3，正常蓄水位為1 394.50 m，死水位1 353.30 m。工程由大壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成。大壩為粘土心墻壩，最大壩高82.6 m。

根據《防洪標準》（GB50201-2014）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）的規定，確定樓莊子水庫工程等別為Ⅲ等工程，工程規模為中型。各主要建筑物級別如下：大壩為2級建筑物；溢洪洞、導流兼泄洪沖沙洞和引水洞為3級建筑物；次要建筑物及臨時建筑物為4級建筑物。

樓莊子水庫工程大壩洪水重現期50～100年，非常運用洪水重現期1 000～2000年。設計洪水標準為100年一遇，洪峰流量405 m3/s；校核洪水標準為2000年一遇，洪峰流量750 m3/s。壩址區地震基本烈度為Ⅷ度，大壩抗震設防類別為乙類。

為確定大壩壩體浸潤線及其下游逸出點的位置，通過繪制壩體及地基內的等勢線分布圖，分析壩體滲流穩定[1]；得出壩體與地基滲流量，以估計水庫滲漏損失；通過壩坡出逸段的出逸比降，判斷該處的滲透穩定性。并通過極限平衡分析方法[2]，分析大壩上下游壩坡在不同運行工況下抗滑穩定安全系數，對壩坡穩定進行論證[3]。

2 工程布置

樓莊子水庫工程由粘土心墻壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成，樞紐平面布置圖見圖1。樞紐工程擋水建筑物為粘土心墻砂礫石壩，壩軸線按直線布置；粘土心墻壩最大壩高82.6 m，壩頂長度570.31 m。壩體上游壩坡為1∶2.5，上游壩坡采用現澆混凝土板護坡，下游壩坡采用混凝土網格梁填六棱塊，下游坡腳處設置排水棱體，頂寬2.0 m；壩殼砂礫料與排水棱體之間設兩層反濾，反濾層厚0.5 m。

圖1 壩體橫斷面圖

壩體結構斷面以粘土心墻防滲體為中心，心墻防滲體上、下游兩側由內向外分別為：粘土心墻防滲體、上下游反濾料、壩殼砂礫料區、下游排水料區組成。

粘土心墻防滲體采用正心墻，心墻防滲體軸線位于壩軸線上游，粘土心墻最大底寬50.56 m，屬中厚心墻；心墻反濾料區為粘土心墻，防滲體上、下游反濾層填筑至心墻頂；壩殼砂礫料區采用壩址區儲量豐富的砂礫料；考慮壩殼料的不均勻性，為了加強下游壩體的排水，故設置排水料區。

3 壩體計算

3.1 壩體滲流穩定計算

分別對設計工況及校核工況下擋水建筑物的滲流穩定進行分析[4-5]，采用河海大學編制的《水工結構分析系統》（AutoBANK6.10）計算；根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），計算壩體標準剖面進行下列水位組合情況：

（1）正常蓄水位（1 394.50 m）與下游相應最低水位（1 322.20 m）；

（2）設計洪水位（1 397.43 m）與下游相應最低水位（1 322.82 m）；

（3）校核洪水位（1 397.63 m）與下游相應最低水位（1 323.76 m）。

根據試驗壩殼料、心墻料、基巖滲透系數取為：壩殼料Ks=3.2×10-2cm/s；心墻Ks=2.3×10-6cm/s；基巖Ks=1×10-4cm/s；帷幕灌漿Ks=1×10-7cm/s；混凝土防滲墻Ks=1×10-7cm/s；砂礫石料的允許水力比降取0.25 。

經計算得出樓莊子水庫擋水建筑物不同工況下，穩定滲流期成果見表1。

表1 穩定滲流期計算結果表

從表1可以看出：心墻逸出點最大出逸比降1.42，發生在校核工況。土料在反濾料的保護情況下，允許滲透比降將會大大提高；由此說明，樓莊子水庫大壩心墻不會發生滲透破壞。經提取得出校核工況下壩體滲流等勢線及浸潤線圖見圖2，由表1中數據分析看出，大壩下游壩坡的出逸比降均小于允許滲透比降，說明粘土心墻壩壩體不會發生滲透破壞。

圖2 校核洪水位壩體滲流等勢線及侵潤線圖

3.2 壩坡穩定計算分析

采用河海大學編制的《土質邊坡穩定分析程序》（HH-slope）計算[6-7]，計算方法采用簡化畢肖普法，地震情況采用擬靜力法；計算原理為極限平衡分析方法。通過分析以往工程經驗分析，典型計算工況如下：

（1）正常蓄水位穩定滲流期工況；

（2）設計洪水位穩定滲流期工況；

（3）施工期工況；

（4）庫水位驟降工況（由正常蓄水位降至死水位）；

（5）正常蓄水位穩定滲流期+地震工況。

壩殼砂礫料及粘土心墻料，分別采用砂礫石料場及粘土料場采樣實驗后的物理特性參數作為計算基礎，對不同工況下，樓莊子水庫粘土心墻壩上下游壩坡抗滑穩定計算，得出不同工況下，上下游壩坡抗滑穩定安全系數見表2。

表2 壩坡抗滑穩定計算最小安全系數表

從表2中數據對比可看出，不同計算工況下，粘土心墻壩上下游壩坡抗滑穩定安全系數最小值均大于規范允許值，由此說明，不同運行工況下，樓莊子水庫粘土心墻壩上、下游壩坡均是穩定的。通過分析最不利工況，正常蓄水位穩定滲流期+地震工況下大壩上下游壩坡抗滑穩定安全系數圖見圖3。

圖3 正常蓄水位穩定滲流期+地震工況上下游壩坡穩定計算圖

4 結語

本文以樓莊子水庫粘土心墻壩為研究對象，對大壩的組成及運行安全進行計算分析論證，對壩體在不同工況下，滲流穩定進行了計算分析；并對工程完成后，大壩在不同運行工況下，上下游壩坡穩定進行了分析計算，通過分析得出結論：

經不同工況下滲流穩定分析對比，得出壩體心墻及大壩壩體不會發生滲透破壞；由壩體上下游壩坡抗滑穩定分析得出，粘土心墻壩抗滑穩定最不利工況為正常蓄水位+地震工況，此工況下大壩壩體上下游壩坡均能滿足抗滑穩定要求。本文所得結論為大壩穩定分析提供理論依據。