坷斜水庫大壩滲流及結構安全評價

張 凱

（廣東粵源工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510000）

我國眾多中小型水庫受限于當時的經濟社會條件和技術要求,同時缺乏有效管理和維護,致使水庫難以發揮工程的綜合效益。因此,對水庫進行滲流及安全評價,了解及全面掌握水庫大壩的安全狀況,并對病險水庫及時采取相應的措施,對保證大壩安全運行,促進經濟穩定發展具有非常重要的意義[1]。本文對水庫壩體進行滲流和結構安全評價。

1 工程概況

坷斜水庫興建于1965 年,1966 年竣工并投入使用,主要由大壩、溢洪道、輸水涵管等建筑物組成。水庫集雨面積0.83 km2,總庫容24.07 萬m3,工程等別為Ⅴ等,主要建筑物級別為5級,是一座以灌溉為主,結合防洪等綜合利用的小（2）型水庫,水庫灌溉面積400畝,保護下游4200 畝耕地及3500 人口的防洪安全。坷斜水庫的設計洪水標準為20 年一遇,校核洪水標準為200年一遇。大壩為均質土壩,壩頂高程84.27 m,最大壩高10.85 m,壩頂長110 m,壩頂寬度5.1 m,上游現狀坡比為1∶2.49,下游現狀坡比為1∶1.90。壩后坡設置有貼坡反濾排水。校核洪水位84.87 m,設計洪水位84.12 m,正常蓄水位81.72 m,死水位73.50 m。

2 滲流安全評價

滲流安全評價應從建筑物的壩基進行考慮,大壩的滲透水流除了浸潤土體外,當滲透力大到使水庫壩坡發生滑動、壩基發生管涌、產生流土等重大滲流事故時,會直接影響大壩的安全運行。因此,對已建工程擋水建筑進行安全性評價很有必要。

2.1 評價方法

滲流安全評價主要依據水庫大壩運行過程中可能出現的滲流問題、現場安全、地質勘察成果及滲流監測成果進行綜合評價。

依據達西定律的滲流公式,假設坐標系與其滲透的主方向一致,則水頭函數如下：

式中：H為水頭函數；X、Z為坐標；KX、KZ為主滲透系數。

非穩定滲流時,其定解條件為：

（1）初始條件

（2）邊界條件可分為兩類

1）第一類邊界條件（給定水頭邊界）

2）第二類邊界條件（給定流量邊界）

以上各式中的H0為滲流場內的初始水頭函數值；n為邊界Γ2的外法向；Kn為邊界Γ2的法向滲透系數。如為穩定滲流,則只有邊界條件（2）、（3）式,時間變量t消失。

2.2 滲流計算斷面

滲流計算選擇典型斷面,以實際壩體斷面處外擴線為基礎,結合水庫大壩的現場檢測資料及結構資料,初步設定斷面的邊界外擴線。同時,結合地質勘測成果,擬定大壩最大斷面處作為計算典型斷面。壩體擬定的典型計算斷面見圖1。

圖1 大壩滲流計算典型斷面圖

2.3 計算工況

大壩滲流計算應考慮水庫運行中出現的各種不利情況,可采用下列四種組合：

（1）大壩上游的正常蓄水位與大壩下游的不利水位組合；

（2）大壩上游的設計洪水位與大壩下游的不利水位組合；

（3）大壩上游的校核洪水位與大壩下游的不利水位組合；

（4）水庫水位驟降。

大壩滲透穩定計算工況,見表1。

表1 大壩滲流計算工況及對應的水位

2.4 計算結果

根據壩體穩定滲流計算成果,各工況出逸比降小于允許值,壩體滲流浸潤線均在貼坡反濾體處溢出,滲流出逸比降均小于允許值。

壩體在各工況下滲流浸潤線計算成果見圖2～圖5。水庫大壩壩體穩定滲流計算成果見表2。

表2 大壩穩定滲流量計算成果表

圖2 大壩水頭等值線圖（正常蓄水位）

圖3 大壩水頭等值線圖（設計洪水位）

圖4 大壩水頭等值線圖（壩頂水位）

圖5 大壩抗滑穩定計算斷面圖

3 結構安全評價

3.1 計算方法

結構抗滑穩定復核依據簡化的Bishop法,用最小安全系數的簡捷法計算壩體邊坡的圓弧。壩體的結構安全穩定計算選擇典型斷面,以實際壩體斷面處外擴線為主,結合水庫大壩的現場檢測資料及結構資料,初步設定的工況見表3。

表3 大壩計算工況及計算內容一覽表

3.2 計算結果

大壩壩坡穩定計算成果見表4,壩坡最不利滑弧位置圖見圖6～ 圖9。

圖6 上游壩坡抗滑穩定滑弧圖（工況1）

圖9 下游壩坡抗滑穩定滑弧圖（工況2）

表4 大壩壩邊坡穩定計算成果表

由表4可知,正常運用情況,設計洪水位穩定滲流期（有效應力法）,下游壩坡的穩定系數為1.09,而壩坡穩定系數的規范要求值為1.25。在非正常運用條件下,校核水位超過壩頂高程,不能滿足大壩的壩坡安全。

圖7 下游壩坡抗滑穩定滑弧圖（工況1）

圖8 上游壩坡抗滑穩定滑弧圖（工況2）

4 結論

（1）水庫大壩下游設置有貼坡反濾體,現狀下游壩坡有較多灌木,對大壩的滲流穩定有影響,但對大壩的安全影響不嚴重。

（2）結合滲流計算分析情況,壩體浸潤線未超過設計值,滲漏量總體較少,大壩的滲流壓力與滲流量變化規律基本正常,滲流出逸比降均小于允許值。

（3）根據地質勘察,壩基滲漏及繞壩滲漏的可能性較小,溢洪道及輸水設施未發現滲水現象。

（4）正常運用情況下,設計洪水位穩定滲流期（有效應力法）,下游壩坡的穩定系數為1.09,而壩坡穩定系數的規范要求值為1.25。在非正常運用條件下,校核水位超過壩頂高程,不能滿足大壩的壩坡安全。