某水庫除險加固安全評價中壩體滲流穩定分析

孫亞南

（盤錦海陸土木工程有限公司，遼寧盤錦124010）

1 工程概況

某除險加固工程為IV等小（1）型水庫，壩高19 m，總庫容為313.93萬m3，是一座以防洪灌溉為主，兼顧工業用水的水利工程，水庫防洪標準為30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。樞紐主要由主壩、副壩、輸水涵洞、輸水隧洞、溢洪道等組成[1]。從水庫監測運行資料來看，水庫運行過程中未出現壩址漏水量增大的現象，壩下游坡面未出現“牛皮脹”、滲水等現象，水庫主壩壩基及壩區、岸坡均無異常滲漏情況。從現場檢查情況來看，該水庫主壩壩后坡排水棱體有2處存在少量的滲流。本文主要對大壩進行滲流安全評價分析，通過分析得到壩體滲漏情況，指導壩體除險加固設計施工。

2 滲流安全評價

2.1 評價方法

根據該水庫各樞紐工程布置及運行情況，副壩下游與地面幾乎齊平，僅對主壩作滲流安全分析。滲流安全評價主要方法：根據現場檢查、運行管理資料、勘察報告分析，復核大壩安全運行現狀；依據滲流復核成果、滲流監測資料進行綜合分析，評價大壩滲流安全性。

2.2 滲流觀測斷面布設

此次在水庫主壩共布置4個滲流觀測斷面，3排測壓管（每個斷面布置3根測壓管）[2]，大壩壩腳設有量水堰觀測設施，用于觀測滲水點的滲漏量。大壩測壓管觀測數據見表1，大壩測壓管浸潤曲線見圖1。

圖1 實測值與計算值浸潤曲線對比圖

根據大壩測壓管觀測數據，4個斷面的同一排測壓管水頭值不同，表明各斷面附近壩體填土土質存在不均勻情況。

當庫水位值為77.89 m時，采用“理正滲流分析軟件”，計算結果如圖1所示。分析計算結果與實測測壓管數據基本一致，表明滲流狀況良好。

3 滲流計算分析

3.1 計算方法及工況

大壩計算參數、填料性質、布置等依據現場調查收集資料、鉆探試驗成果數據以及相關工程經驗，計算參數見表2。作滲流計算分析時，對主壩段各選取其最大斷面作為計算斷面進行計算分析[3]。大壩滲透穩定分析采用“理正滲流分析軟件”。

表1 2018年水庫測壓管數據摘錄分析表m

表2 主壩巖土層滲流計算主要物理力學性質指標表

根據SL 274-2020《碾壓式土石壩設計規范》來分析主壩計算工況：工況1為正常水位穩定滲流，水庫水位為79.91 m；工況2為設計水位穩定滲流，水庫水位為81.31 m；工況3為校核水位穩定滲流，水庫水位為81.71 m；工況4為庫水位從校核水位驟降至死水位，水庫水位為81.71~71.61 m。滲流穩定計算應考慮水庫運行中出現的各種不利條件。非穩定滲流計算的邊界條件假設在驟降前已經形成穩定的滲流，擬定工況4。

3.2 計算原理

壩體沿縱向長度遠大于橫斷面尺寸，符合平面假定，因此計算方法可采用平面穩定滲流有限元計算程序進行。計算采用二維飽和滲流的初流量有限元計算方法[4]，飽和滲流的基本方程：

式中：kx，ky分別為x，y方向的滲透系數；h為測管水頭，m。滲流的定解條件：

式中：n為邊界面的外法向方向；kn為法向方向的滲透系數；μ為給水度；Г1為自由面和上下游邊界面已知水頭邊界；Г2為潛流邊界面和不透水邊界；Г3為自由面邊界；t為時間，s；q為單寬流量，m2/s。

3.3 計算成果及分析

1）計算壩體浸潤線、單寬滲流量

計算滲透流量時，選取滲透系數大值平均值，計算水位降落時的浸潤線時，選取滲透系數小值平均值。主壩計算斷面見圖2，滲流量計算成果見表3，滲流浸潤線計算成果見圖3、圖4。

圖2 主壩計算斷面圖

表3 某水庫主壩單寬滲流量計算成果表

圖3 主壩斷面工況1時的滲流浸潤線

圖4 主壩斷面工況4時的滲流浸潤線

2）計算成果分析

根據計算成果，浸潤線遵循隨庫水位上漲而提高、跌落而下降的規律，表明主壩段防滲狀況良好，計算結果合理，可用于邊坡穩定分析。

3.4 滲透穩定分析

根據此次安全鑒定的巖土勘察報告，主壩壩體填土為素填粘性土，壩基地層為粉質粘土層、礫砂層、強風粉砂巖組成。根據計算成果，主壩壩體最大出逸比降為0.212。可初步判斷主壩壩體填土滲透變形類型為流土，滲透穩定分析計算成果：土粒比重2.68，孔隙比0.778，孔隙率44%，臨界水力比降0.94，安全系數2.0，允許水力比降0.47，正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位最大滲透比降分別為0.175，0.203，0.212。

主壩段在各工況下的滲透比降均低于允許水力比降，不會發生流土破壞。

3.5 大壩滲流安全評價

根據勘察報告，壩體填土滲透系數為4.3×10-6～8.6×10-4cm/s，平均滲透系數為3.0×10-4cm/s，為中等透水性。主壩段填土滲透系數均不滿足SL 274-2020《碾壓式土石壩設計規范》中“均質壩不大于1×10-4cm/s”要求[5]。

雖然該水庫主壩的壩體填土滲透系數不滿足規范要求，但從水庫主壩歷史運行狀況、現場檢查情況來看，主壩段防滲狀況良好，未發現“牛皮脹”等滲漏現象，據滲透穩定分析計算成果來看，主壩段不會發生滲透破壞。

4 結語

綜合分析水庫主壩填料滲透特性、運行過程中的滲流情況、滲流復核計算成果、現場檢查情況、地質勘察成果，可得出：雖然該水庫主壩段填土滲透系數不滿足規范要求，但經滲流分析，主壩段不會發生滲透破壞。該水庫歷史運行情況及現場檢查情況來看，滲流正常，其它壩基及壩區、岸坡均無異常滲漏情況。從分析結果可見，主壩無滲流異常，不影響主壩安全，依據SL 258—2000《水庫大壩安全評價導則》，評定主壩滲流安全性為A級。