樓莊子水庫大壩滲流及穩定性分析

周曉浩

（新疆維吾爾自治區白楊河流域管理局，新疆烏魯木齊 830000）

大壩的穩定性是根據其邊坡穩定性、滲流穩定性或地震穩定性綜合分析評估的，其中壩體的抗滲穩定性是判斷其是否安全、是否發生大量滲漏的關鍵因素[1，2]。當前，一些學者主要采用現場試驗和數值模擬的方法來進行研究，然而現場試驗費用高昂，因此數值模擬方法成為當前熱點研究工具。溫青山[3]針對某水利樞紐大壩不同工況下滲流場特征，利用MIDAS GTS有限元軟件建立數值模型，分析校核水位、正常蓄水位、死蓄水位3種工況下滲流穩定性；李宏偉[4]以達坂地區某水庫大壩為研究對象，利用ANSYS數值建模分析平臺，研究該水庫大壩滲流穩定性，獲得了大壩在正常蓄水位、滿蓄水位、試驗水位3種工況下滲流場特征參數分布；云濤[5]基于Autobank模擬了寧夏旗眼山水庫大壩在不同防滲方案下的壩體浸潤線、位勢分布、壩基日單寬流量、下游出逸滲透比降等參數；朱蒙等[6]利用Geostudio軟件，對洛陽市澀草湖尾礦庫在前期降雨及主降雨條件下的滲流穩定性展開數值模擬分析；虎珀等[7]基于有限元原理以及滲流場與溫度場在各種方面的相似性，將ANSYS軟件中的熱分析模塊運用于土石壩滲流場的計算中。此外還有部分學者通過一些流體力學軟件對壩體穩定性進行了分析[8，9]。以樓莊子水庫工程為分析對象，采用Geo Studio軟件中的Seep/W和Slope/W程序進行滲流和穩定性分析，并提出相應加固措施，研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

樓莊子水庫工程位于頭屯河上游中低山區、昌吉市硫磺溝鎮以南25 km處，距下游樓莊子村8 km，距昌吉市約75 km，距烏魯木齊市89 km。現有縣道X125從工程區穿過，烏奎高速公路和北疆鐵路從工程區下游通過。有道路通往昌吉市、烏魯木齊市，均為瀝青混凝土路，交通較為方便。頭屯河發源于天山山脈中部的喀拉烏成山北坡，東與烏魯木齊河相鄰，西與三屯河接壤，干流全長190 km，流域總面積2885 km2，其中山區流域面積1638 km2、制材廠站以上集水面積840 km2、哈地坡以上集水面積1562 km2，地理坐標介于東經86°42′～87°37′和北緯43°10′～44°44′。流域最高峰海拔4562 m，地勢南高北低，由西南向東北傾斜，依次為高山區、中高山區、低山區、山前傾斜平原區以及平原沙漠區。水庫位于制材廠水文站與哈地坡水文站之間，壩址以上集水面積1174 km2，在行政區劃上頭屯河左岸屬昌吉市硫磺溝鎮管轄、右岸屬烏魯木齊縣管轄。水庫壩址位于東經87°01′1l″～87°03′00″和北緯43°33′00″～43°34′11″。

2 數值模型與計算參數

本次建立的壩體黏土心墻壩方案的防浪墻頂高程1401.50 m，壩頂高程1400.30 m，最大壩高82.6 m，壩長570.31 m，壩頂寬度10.0 m，壩頂采用瀝青混凝土路面。為排除雨水，頂面向下游單向傾斜，坡度為2%。壩頂上游側設防浪墻，墻頂高出壩面1.2 m，墻高3.3 m。上游壩坡坡比為1∶2.5，下游壩坡布置“之”字形上壩道路，道路間壩坡坡比為1∶2.0，道路寬6.0 m，坡度分別為7.5%，采用瀝青混凝土路面。上游壩坡采用C30F300現澆混凝土板護坡，護坡厚0.25 m。混凝土板分塊尺寸為4 m×4 m，在死水位以上每塊護坡板上布置5個排水管。上游圍堰與壩體結合，頂高程1349.50 m，上游坡度1∶2.5，下游坡度1∶1.5，頂寬10 m，與上游壩殼結合5 m。下游壩坡采用混凝土網格梁填六棱塊，網格梁間距5.1 m×5.3 m。下游坡腳處設置寬2.0 m的排水棱體，頂高程1326.50 m，內坡1∶1，外坡1∶1.5，簡化模型如圖1所示。

圖1 數值模型

數值分析網格采用精細劃分模式自動生成，由29173個單元和42656個節點組成，然后使用VG模型，通過水頭差進行滲流分析。黏土心墻壩防滲土料取自T1、T2料場，土質為低液限黏土。土料組成以粉粒為主，粉粒含量78.75%～80%，黏粒含量20%～25%，液限25～27.6，塑性指數11.9～12.25，自由膨脹率3%～6.16%，為非膨脹性土，對土的分散無促進作用，且無分散性。數值分析利用Geostudio軟件開發了一個二維有限元模型，對大壩進行滲流分析。大壩在運行條件下保持穩定，包括不同的水位和荷載條件，應在壩頂設置適當的出水口，以避免漫頂。滲流分析通常基于一個模型或方程進行，使用邊界條件、水力梯度和材料屬性來描述滲流現象。滲流分析的核心是達西公式：

式中：Q為滲流量（m3/s）；K為滲透率（m/s）；A為橫截面面積（m2）；h1、h2分別為壩體流入、流出的水位（m）；L為滲流的長度（m）。

本次數值計算參數，詳見表1。

表1 本次數值計算參數

3 滲流結果分析

本文使用有限元程序Seep/W對大壩滲流進行了研究。大壩前后的邊界條件如圖2所示，其中上游側水頭為22.6 m、下游側水頭為0，滲流分析結果如圖3所示。由圖3可知，在穩定狀態下，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游壩體面相交，因此不會導致下游邊坡軟化或坍塌。最大孔隙水壓力位于上游過渡帶底部，這是因為水位（22.6 m）下的初始孔隙水壓力高于任何其他水位下的值。孔隙水壓力隨著水的高度、速度矢量大小（矢量箭頭）、通過顆粒的流動路徑和通過壩體的平均流速的增加而增加，為0.061279 m3/d。此外水平和垂直水力梯度的最大值出現在下游出口點。

圖2 穩定狀態下邊界條件

圖3 滲流分析結果

4 壩體穩定性分析

目前，國內外大壩穩定性分析方法包括Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、瑞典圓弧法，在有限元程序Slope/W上都能運用，但一般來說，Mor?genstern-Price方法適用于圓形和非圓形破壞面的能力而被視為最佳方法，并滿足基礎法向力的垂直力平衡。采用Bishop和Janbu方法計算的邊坡安全系數，如圖4所示。由圖4可知，壩體上游比下游邊坡中產生的安全系數高，Bishop方法在上游和下游邊坡中產生的安全系數均比Janbu方法高。此外，所有安全系數值均高于1.3，因此大壩在天然狀態下被認為是穩定的（預計不會出現邊坡破壞）。此外，由數值分析結果還可得出，不同方法邊坡的滑動面也出現了不同程度的變化。對于大壩下游，Bishop方法的滑動面相比Janbu法更深，下端剪出口在平臺區域出現向右移動現象，總體上來看會增大滑坡的體積，但同時也增大了安全系數。

圖4 Bishop和Janbu方法計算的邊坡安全系數

5 壩體滲流破壞及加固分析

通常滲流破壞是由于水流滲進土體，使土體的密度增加，抗剪強度降低。同時，水在滲流過程中會對土體顆粒施加一個動水壓力，這是一個體積力，其大小與流動水的體積、水的容重和水力梯度有關，其方向與水流的方向一致。結構面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，動水壓力稍大時就會帶走結構面中的填充物顆粒，降低了邊坡的穩定性。由于水流對邊坡穩定性的影響非常大，所以水流的防治是邊坡穩定的重要方面。建議對于土質類的堤壩，可采用劈裂灌漿防滲加固技術。該技術能夠在土體的劈裂中形成垂直而連續的防滲體，在達到防滲加固效果的同時，有效控制堤壩關鍵位置的變形情況，且具有操作簡便優勢，因此已經在水利工程堤壩防滲加固領域中得到了普遍應用。

6 結論

采用Geostudio軟件中的Seep/W和Slope/W程序對樓莊子水庫工程進行滲流和穩定性分析。計算結果表明，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游壩體面相交，不會導致下游邊坡軟化或坍塌，且最大孔隙水壓力位于上游過渡帶底部，水平和垂直水力梯度的最大值出現在下游出口點。Slope/W分析結果表明壩體上游比下游邊坡中產生的安全系數高，Bishop方法在上游和下游邊坡中產生的安全系數比Janbu方法高，所有安全系數值均高于1.3，因此認為大壩在天然狀態下是穩定的。