某水庫土石壩滲流穩定分析

孔佑龍

（貴陽市水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

土石壩作為重要的擋水建筑物，其穩定性受建壩材料及建筑時間長等因素影響[1]。合理準確地分析壩體滲流穩定性能夠保障壩體正常運行及下游居民生命和財產安全。目前，已有許多學者對壩體穩定性分析進行了大量的研究，提出了很多不同的方法。阿布都沙拉木等[2]依據北疆某水庫大壩多年滲流資料進行了系統分析，明確了該水庫的滲透穩定性。殷躍平[3]對三峽庫區滑坡防治工程設計中的滲透壓力問題進行了較為系統的研究。李輝等[4]建立土石壩在不同水位時的滲透特性模型。姚浩等[5]以邢臺市某土石壩為例，計算分析了該粘土心墻壩滲流和穩定均滿足設計要求。本文以始建于1958 年的某老水庫為例，在壩體土工取樣試驗和水利樞紐現場檢查結果的基礎之上，運用GeoStudio 軟件結合Simplified Bishop 圓弧法對該庫土石壩滲流穩定性進行計算分析，并提出了相應的防滲措施建議。

1 工程概況

某水庫壩型為均質土壩，始建于1958 年，于1965年擴建成小（1）型水庫，水庫總庫容192 萬m3，主要功能為灌溉，設計灌溉面積6920 畝，實際灌溉面積為5800 畝。壩址以上集水面積為9.3km2，其中主河道長6.44km，河道平均比降為21.1‰。樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設施等組成。壩頂高程為1317.20m，最大壩高20.2m，壩軸線長為120m，壩頂寬2.1m，大壩上游迎水面坡比為1∶3.15；大壩下游背水面壩坡分為三段：上壩坡坡比1∶1.5，中壩坡坡比1∶2.7，下壩坡坡比1∶3.35，壩腳排水棱體坡比為1∶1.5。

大壩填筑材料為黃褐色粘土，呈可塑至軟塑狀，含巖屑顆粒，局部巖屑顆粒含量較多，粘性差，較松散。為了復核壩體填筑土料質量，對鉆孔取芯的壩體填筑土料進行了室內物理力學試驗。試驗結果表明：大壩壩中段壩體填筑土料局部滲透系數大于1×10-4cm/s，最大值為2.14×10-4cm/s；同時結合現場檢查發現大壩下游壩坡一級馬道出現的兩處滲漏帶。鑒于此，有必要對該水庫大壩進行滲流安全計算分析，了解大壩運行狀態，保障水庫各項功能的正常運行。

2 工程地質條件

水庫屬高原侵蝕、溶蝕型中山～中低山地貌，地勢較平緩，河谷較寬。碳酸鹽巖區域地質營力以溶蝕作用為主，基巖多為裸露及半裸露；碎屑巖區域地質營力以侵蝕作用為主，一般覆蓋層較厚。庫區地形起伏較大，高程于1280m～1500m 之間，地形開闊，地形平均坡度15°～30°，局部存在陡坡、陡坎。

壩區河谷為順向谷，巖層傾向左岸，壩址區為淺切低中山河谷地貌。兩岸坡覆蓋層為褐色、黃褐色的粘土、砂土和碎石塊，厚0.5～3.5m 不等；左壩肩基巖為灰、深灰色厚層塊狀含硅質巖團塊生物碎屑石灰巖；壩基及右壩肩主要為灰、深灰色粘土巖、泥晶石灰巖。根據鉆孔取芯揭示，壩基基巖為深灰色粘土巖夾灰巖，基巖軟硬相間，差異風化強烈，強風化厚度一般3～5m，且強風化層及弱風化層節理裂隙發育，巖芯主要呈碎塊狀、短柱狀，透水性強。鉆孔壓水試驗顯示，壩基、壩肩的接觸帶基巖風化強烈，透水性強，不起壓。弱風化巖體透水率4.7～5.1Lu，屬弱透水層。

3 壩體滲流穩定分析

3.1 計算條件

根據《防洪標準》（GB50201-2014）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）的規定，本工程水庫屬小（1）型水庫，工程等級為Ⅳ等，主要建筑物大壩、溢洪道、取水建物為4 級建筑物，次要建筑物（含臨時建筑物）為5 級。根據SL274-2020《碾壓土石壩設計規范》的規定，該大壩屬均質土壩，壩基無軟弱夾層或軟弱帶等情況，故采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普（Simplified Bishop）圓弧法進行壩坡抗滑穩定計算，相應的壩坡抗滑穩定最小允許安全系數見表1。

表1 壩坡抗滑穩定最小安全系數表

同時，土體的抗剪強度指標選用是否合理，將直接影響壩坡抗滑穩定計算成果的可靠性及合理性。因此，壩體填筑土料、排水棱體的堆石料的各物理力學參數指標采用土工試驗成果中的計算參數建議值，見表2。

表2 物理力學參數指標表

3.2 計算工況

經計算，該水庫的校核洪水位和設計洪水位均低于現狀壩頂高程，且現狀壩頂高程滿足規范要求的壩頂超高要求。

水庫地區歷史上無中、強地震記錄，區內無區域性斷裂和活動斷裂通過，地震基本烈度為Ⅵ度。故根據SL274-2020 的規定，結合工程實際情況，設置計算工況如下。

3.2.1 上游壩坡

工況一：正常蓄水位1314.00m 的穩定滲流期；

工況二：上游設計洪水位1315.85m 形成的滲流情況；

工況三：上游校核洪水位1316.57m 形成的滲流情況。

3.2.2 下游壩坡

工況一：正常蓄水位1314.00m 的穩定滲流期；

工況二：上游設計洪水位1315.85m 的穩定滲流期；

工況三：上游校核洪水位1316.57m 的穩定滲流期。

3.3 計算結果及分析

壩坡穩定分析采用GeoStudio 11.4.0.18 軟件進行計算，按剛體極限平衡法中計及條塊間作用力的簡化畢肖普（Simplified Bishop）圓弧法進行壩坡抗滑穩定計算，根據計算結果所示，各工況壩坡穩定性均滿足要求，詳見表3。

表3 壩體上下游壩坡抗滑穩定計算成果表

根據模擬分析結果，上下游壩坡條塊受力如圖1、圖4 所示，正常蓄水位、設計洪水位以及校核洪水位不同水位下壩體浸潤線的模擬分布情況如圖2、圖3 所示，其中上游水位處于設計洪水位、校核洪水位時，浸潤線從下游壩坡一級馬道上方逸出，正常蓄水位時浸潤線有從下游壩坡一級馬道逸出的跡象，結合現場檢查時發現的下游壩坡一級馬道出現的滲漏帶（上游水位1313.75m，接近正常蓄水位1314.00m），判斷出壩體滲流性態不安全。

圖1 上游壩坡條塊受力示意圖（單位：KN）

圖2 上游壩坡最危險滑移面位置圖

圖3 下游壩坡條塊受力示意圖（單位：KN）

圖4 上游壩坡最危險滑移面位置圖

同時根據壩坡抗滑穩定計算成果顯示，該水庫大壩各工況最危險滑移面對應的上、下游壩坡抗滑穩定計算成果均大于SL274-2020《碾壓土石壩設計規范》中的允許最小安全系數，即大壩壩坡處于穩定狀態。據此分析可知，由于大壩自1958 年建成后，經歷過擴建以及數次除險加固，大壩壩體不斷加厚，大壩壩坡坡比也在歷次改造中不斷變緩，使得大壩壩坡在滲流性態不安全的情況下可以保持穩定狀態。

4 防滲措施

通過對壩體、壩基鉆孔取芯、壓水試驗的成果及水庫樞紐各部位的現場檢查，結合上述的壩體滲流穩定性計算，分別對各個工況的浸潤線、最危險滑移面進行了分析。綜上所述，該水庫大壩存在影響壩體穩定的多個安全隱患問題，建議對大壩壩基、壩肩進行帷幕灌漿，壩體充填灌漿，形成連續的防滲帷幕；防止因壩體滲流穩定性降低，改變壩體填筑粘土的物質成分或結構，進而改變壩體填筑粘土的內摩擦角和凝聚力系數，減小顆粒間的有效應力，導致壩體的抗剪強度降低。

5 結論

（1）土石壩滲流穩定性分析是土石壩安全校核的重點之一，本文通過對某庫土石壩上下游壩坡在正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位的滲流穩定分析，得出該土石壩在不同工況下滲流和穩定均滿足設計要求。綜上所述，該方法可用于土石壩的滲流穩定分析，為今后土石壩滲流分析的相關問題提供一定的借鑒。

（2）根據實際情況及計算分析結果，建議對大壩壩基和壩肩進行帷幕灌漿，壩體充填灌漿，形成連續的防滲帷幕；以此改變壩體填筑粘土的內摩擦角和凝聚力系 數，提高壩體的抗剪強度，加強顆粒間的有效應力，進一步地提高壩體的穩定性，從而使壩體達到滲流穩定的要求。