丁莊水庫滲流及抗滑穩定安全分析研究

盧 華， 馬 飛，張坤強

(1.煙臺高新區社會事業服務中心，山東 煙臺 264000； 2.德州市水利局，山東 德州 253000； 3.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

我國水庫大多建造自20世紀50年代，隨著水庫運行年限的不斷增加，水庫的病險危害日益嚴重。若不及時對其采取適當的檢修加固措施，不僅會進一步降低其經濟效益，甚至會直接威脅到人民的生命財產安全[1-2]。在土石壩的安全鑒定工作及建設與運行管理評價工作中，最主要的分析內容是土石壩的滲流分析與抗滑穩定分析[3-5]。本工程通過對正常蓄水位、1/3水位及驟降水位3種工況下大壩進行滲流分析、抗滑穩定分析、抗震計算等方面的計算研究，分析其對大壩自身安全穩定的影響，對類似工程具有借鑒和指導意義。

1 工程概況

丁莊水庫是山東省興建的一座圍壩型平原水庫，位于德州地區陵縣馬頰河南岸的天然洼地處。引水水源為黃河水，利用潘莊干渠，將黃河水送入馬頰河，經泵站提水入庫。

該水庫樞紐工程由圍壩、隔壩、入庫泵站、出庫泵站以及泄水洞等組成。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物(大壩、引水泵站)為3級，其它建筑物為5級，庫區面積4. 77 km2，圍壩軸線長度8.93 km，總庫容3 120×104m3。大壩以碾壓式均質壩型為主，圍壩最大壩高9.0 m。壩頂高程25.0 m，防浪墻高1.20 m，壩頂寬度7.0 m。隔壩位于入庫泵站和出庫泵站之間，壩頂高程26.0 m，壩頂寬度10 m，壩長978 m。圍壩沿庫內壩腳設黏土鋪蓋寬50 m。

2 壩體滲流計算

2.1 計算斷面與材料參數

選取最大壩高斷面，壩高9 m，斷面尺寸為：上游計算長度選取5倍壩高，長50 m；下游計算長度約2倍壩高，長度20 m；計算深度根據地質勘探深度至不透水層，約3倍壩高，深28 m。壩體斷面自上而下由壩體到壩基共分為10層，根據地質勘探資料，物理力學特性及滲透系數，斷面材料共有10種，壩體上游底部為黏土鋪蓋，為第11種材料。材料參數選用地勘資料確定，見表1。

表1 丁莊水庫壩體及壩基土滲透系數及物理力學性能

2.2 浸潤線及流網計算

計算工況包括3種：正常蓄水位23 m、1/3蓄水位19.67 m、水位從23 m驟降至17.8 m。根據大壩設計資料，以正常蓄水位工況為例闡述計算方案，壩體正常蓄水位為23.0 m，壩前水深為6.2 m，壩后坡無水，滲流量計算斷面為下游坡壩肩位置，計算單元劃分長度1.0 m，收斂判斷誤差(兩次計算的相對變化)取0.100%。經過30次迭代計算，正常蓄水位工況下最大滲流量為0.281 m3/d·m，最大滲透坡降0.18，浸潤線及流網分布圖見圖1，3種工況下壩體滲流量計算結果見表2。

圖1 正常蓄水位浸潤線位置及流網圖

表2 大壩滲透流量計算結果表

計算年最大滲流總量W為：

W=365×8 923×0.281=91.52×104m3/年，占水庫總庫容的2.94%，可見大壩滲漏量很小；壩基最大滲透坡降=0.18<0.2，壩基滿足滲透穩定要求。

3 壩體抗滑穩定計算

采用滲流計算結果，根據浸潤線位置，壩體孔隙水壓力場作為計算初始狀態。

3.1 不考慮地震作用壩體抗滑穩定計算

采用正常蓄水位滲流計算結果，根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)，不考慮地震作用，采用有效應力法，孔隙水壓力采用滲流方法計算，考慮邊坡外側靜水壓力，利用圓弧滑動法計算穩定滲流期壩體上游坡及下游坡抗滑穩定安全系數。 經過迭代計算，正常蓄水位穩定滲流期上游滑動圓心 (12.027，15.400 m)，滑動半徑19.550 m，滑動安全系數2.242。壩坡圓弧滑動面見圖2。

多種工況時的上下游壩坡穩定用瑞典條分法進行計算，各工況下最小抗滑穩定安全系數見表3。

圖2 正常蓄水位穩定滲流期上游壩坡圓弧滑動面圖

表3 不考慮地震作用條件下壩坡最小抗滑穩定安全系數

由規范可知，Ⅲ級建筑物正常運用條件下，壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.20；非常運行條件下，壩坡抗滑穩定最小安全系數1.10。由表3可知，計算出的壩坡最小抗滑穩定安全系數均大于規范值，說明壩坡處于穩定狀態。

3.2 地震作用下壩體抗滑穩定計算

根據《中國地震動參數區劃圖(1∶400萬)》(GB 18306-2015)，丁莊水庫樞紐工程區域地震基本烈度為Ⅶ度，根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB 35047-2015)，地震峰值加速度取0.10 g，水平地震系數0.100，地震作用綜合系數0.250。采用正常蓄水位、1/3蓄水位及驟降水位3種工況滲流計算的浸潤線來確定壩體材料的容重進行計算。考慮地震作用下的各工況壩坡最小抗滑穩定安全系數見表4。由表4可知，計算出的壩坡最小抗滑穩定安全系數均大于規范值，說明壩坡處于穩定狀態。

表4 地震作用下壩坡最小抗滑穩定安全系數表

4 結 論

1) 3種不同工況下，最大滲流量為91.52×104m3/年，占水庫總庫容的2.94%。

2) 不考慮地震作用正常運用狀況下，壩體最小抗滑穩定安全系數為1.324；考慮地震作用下，壩體最小抗滑穩定安全系數為1.208，大壩滿足滲透穩定、抗滑穩定要求。

3) 通過壩體的滲流和穩定有限元分析，可對壩體的安全運行監測有一定的借鑒和指導作用。