某水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

劉鵬飛

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000）

1 工程概況

勝利水庫屬于平原注入式水庫形式，于1970年興建，設(shè)計總庫容1.10×108m3，為大（二）型Ⅱ等水庫，壩線長15.64 km，按碾壓式均質(zhì)土壩設(shè)計，壩前防浪護(hù)坡坡比1∶8～1∶15，壩高最大達(dá)到7.18 m。

2000年前兵團(tuán)大壩安全鑒定專家小組對勝利水庫大壩質(zhì)量進(jìn)行了綜合評定，將其認(rèn)定為Ⅲ類壩，且提出了壩體防滲加固、壩后二臺加大、超高增高、壩前護(hù)坡等除險加固措施。

2 分析方法

采用AUTOBANK6.1軟件，結(jié)合有限元分析法和瑞典圓弧分析法，以保證勝利水庫大壩滲流分析和壩坡穩(wěn)定分析過程及結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性。AUTOBANK6.1軟件是在現(xiàn)有有限元分析技術(shù)的基礎(chǔ)上對水利水電工程堤防、大壩、水閘、涵洞等水工建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化模擬分析和計算的一種軟件工具。

應(yīng)用AUTOBANK6.1分析軟件全面分析及精確計算，最終以滲流量、等勢線、水力坡降、浸潤線以及任意點(diǎn)和任意斷面流場數(shù)據(jù)分布等參數(shù)和圖形形式給出結(jié)果；并基于以上分析結(jié)果，不間斷進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變、位移分析，由系統(tǒng)繪制并輸出應(yīng)力、位移、變形、主應(yīng)力隨時間空間變化趨勢；通過人機(jī)交換界面搜索出任意點(diǎn)、任意斷面所對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)分布趨勢；模擬分期加載/卸載及土石方開挖/填筑等過程。

3 分析過程及結(jié)果

3.1 水庫大壩滲流分析

3.1.1 計算水位及參數(shù)

結(jié)合勝利水庫工程實(shí)際及大壩最大橫剖面實(shí)際，應(yīng)用AUTOBANK6.1 軟件結(jié)合達(dá)西定律進(jìn)行水庫大壩綜合滲流分析。選取該水庫大壩進(jìn)行滲流計算時所對應(yīng)的正常水位為386.45 m，死水位380.24 m，P=2%時的設(shè)計洪水位和P=0.10%時的校核洪水位分別取386.47 m和387.06 m。

結(jié)合勝利水庫建設(shè)和除險加固過程中的地勘報告以及新疆地區(qū)同類型水庫工程滲流穩(wěn)定分析經(jīng)驗(yàn)確定滲透系數(shù)取值。

3.1.2 計算工況

結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》以及相關(guān)規(guī)范，將勝利水庫大壩滲流計算過程中所對應(yīng)的水位組合工況設(shè)置為以下幾種：工況1：正常蓄水位和下游對應(yīng)最低水位。工況2：設(shè)計洪水位和下游對應(yīng)水位。工況3：校核洪水位和下游對應(yīng)水位。工況4：20 d 內(nèi)正常蓄水位降至死水位。工況5：20 d 內(nèi)校核洪水位降落至死水位后同時形成非穩(wěn)定形式的滲流。

3.1.3 計算結(jié)果及分析

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》以及《滲流計算分析與控制》等規(guī)范性資料，均質(zhì)土壩滲流計算應(yīng)采用以下公式：

式中：q—水庫大壩單寬滲流量（m3/d·m）；k—水庫大壩壩體現(xiàn)狀滲透系數(shù)（m/s），取2.97×10-6m/s；H1—上游水位（m）；H2—下游水位（m）；h0—下游出逸點(diǎn)高（m）；m1—上游實(shí)際邊坡系數(shù)；m2—下游實(shí)際邊坡系數(shù)；L—大壩壩長（m）。將具體數(shù)值代入以上對應(yīng)公式后的計算結(jié)果詳見表1。

表1 水庫大壩滲流穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)表2結(jié)果，勝利水庫大壩在不同工況下壩體單寬滲流量最大值為1.98×10-5m3/（d·m），據(jù)此進(jìn)行水庫大壩總滲漏量的計算，公式如下：

式中：Q—水庫大壩總滲漏量（m3/d）；t—時間（s）；其余參數(shù)含義同前。

經(jīng)計算，勝利水庫年滲漏量最大值為2.13 m3，遠(yuǎn)比水庫庫容總庫容1.10×108m3小，故該水庫大壩經(jīng)多次除險加固處理后已經(jīng)具備較好的防滲性能。工況3 下水庫大壩單位滲流量計算結(jié)果明顯比其他工況大，也說明水庫大壩滲漏穩(wěn)定受動水作用比受靜水作用更為不利。

結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范（GB50287-2008）》的相關(guān)要求進(jìn)行勝利水庫大壩壩體土可能發(fā)生的滲透變形形式的判別，公式如下：

式中：—大壩壩體土細(xì)粒顆粒實(shí)際含量（%），通常用質(zhì)量百分率表示，取60%；—壩體土孔隙率，結(jié)合地勘報告取0.48。經(jīng)計算，勝利水庫大壩壩體現(xiàn)狀下其土細(xì)粒顆粒實(shí)際含量應(yīng)為48.30%，該水庫大壩壩體發(fā)生流土破壞的可能性較大，其允許滲透坡降按下式確定：

式中：Δ—大壩壩體土粒比重，根據(jù)對新疆地區(qū)規(guī)模同等水庫的類比分析，取2.71；KB—流土安全系數(shù)，取1.50；其余參數(shù)含義同前。經(jīng)計算，勝利水庫大壩允許滲透坡降為0.587，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，水庫大壩滲透穩(wěn)定滿足要求。

3.2 水庫大壩壩坡穩(wěn)定分析

勝利水庫壩坡穩(wěn)定性分析中還必須進(jìn)行大壩邊坡穩(wěn)定性計算，具體采用瑞典圓弧法及AUTOBANK6.1程序。

3.2.1 計算工況

結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》具體規(guī)定，根據(jù)水位組合分別設(shè)定正常工況和非正常工況進(jìn)行勝利水庫大壩邊坡穩(wěn)定性計算。

3.2.2 計算結(jié)果及分析

按照規(guī)范，勝利水庫大壩壩體抗滑穩(wěn)定采用剛體極限平衡法進(jìn)行計算，由于勝利水庫大壩為碾壓式均質(zhì)土壩設(shè)計，且壩坡存在軟弱夾層，故宜按照遵循力與力矩平衡原理的Mogenston-Plus方法進(jìn)行勝利水庫壩體抗滑穩(wěn)定計算，同時在全面考慮大壩壩體抗滑條塊間互相作用相應(yīng)力的基礎(chǔ)上應(yīng)用簡化Bishop 法進(jìn)行計算結(jié)果校核。應(yīng)用AUTOBANK6.1 進(jìn)行該水庫大壩邊坡穩(wěn)定分析，計算結(jié)果見表2。

表2 水庫大壩邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

根據(jù)以上對勝利水庫大壩邊坡穩(wěn)定的分析及計算不難發(fā)現(xiàn)，對該水庫實(shí)施針對性強(qiáng)的除險加固措施后水庫大壩邊坡抗滑穩(wěn)定性顯著提升，并能達(dá)到規(guī)范要求。應(yīng)用瑞典圓弧法所得到的勝利水庫大壩上游壩坡在前三種工況的靜水位下的穩(wěn)定系數(shù)最小值取值也處于較高水平，但是在其余兩種工況的動水位下所計算出的穩(wěn)定系數(shù)最小值取值卻比較小，通過比較以及分析原因可以看出，該水庫存在較大幅度的降落水位，則所得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)取值越小。

4 結(jié)論

綜上所述大壩允許滲透坡降滿足規(guī)范；比較不同靜水位工況發(fā)現(xiàn)，校核洪水位工況下大壩單寬滲流量明顯比其余工況大，表明水庫大壩滲流穩(wěn)定受動水作用的影響比靜水作用的影響更明顯。各工況下得到的穩(wěn)定系數(shù)最小值均比規(guī)范值大，表明該水庫大壩除險加固措施實(shí)施后大壩壩體抗滑穩(wěn)定性能大大提升，且完全滿足相關(guān)規(guī)范要求；大壩上游壩坡在靜水位工況下所對應(yīng)的抗滑穩(wěn)定系數(shù)最小值也均比其余工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)最小值大，且降落水位越大，穩(wěn)定系數(shù)取值越小，且下游壩坡安全穩(wěn)定情況更應(yīng)受到重視。