寶鴨塘水庫大壩滲流計算與穩(wěn)定分析

符朝仁

（中山市水庫水電工程管理中心,廣東 中山 528400）

1 工程概況

寶鴨塘水庫位于長江水庫上游庫區(qū)內(nèi),是一座以防洪、供水為主,兼有改善環(huán)境等綜合效益的?。?）型水庫。集雨面積0.95 km2,總庫容20.82 萬m3,大壩為均質(zhì)土壩,壩長80 m,壩頂高程102.73 m；最大壩高13 m,大壩頂寬5 m,上游壩坡坡度為1∶2.25；壩坡99.60 m高程以下采用0.35 m厚干砌石護坡,99.60 m高程上部草皮護坡；大壩背水坡在94.30 m設(shè)置有一個戧臺,戧臺寬度4.0 m,戧臺上部坡比為1∶2.5,草皮護坡；戧臺下部坡比為1∶2.25,草皮護坡；壩腳修建干砌塊石反濾棱體,反濾棱體底高程80.33 m。

防洪標準為30 年一遇設(shè)計,300 年一遇校核,其主要水工建筑物為5 級建筑物,次要建筑物為5 級建筑物。

寶鴨塘水庫1972 年11月開始動工興建,1973 年4 月竣工。限于當時的技術(shù)條件和投資,原壩體填筑質(zhì)量較差且未能對壩基和壩體進行有效的防滲處理。工程建成投入使用以來,經(jīng)過2 次加固,為保證大壩正常運行,定期對大壩進行保養(yǎng)和管護,水庫目前運行正常。

2 大壩滲流復核計算

2.1 計算工況

參考寶鴨塘水庫調(diào)洪計算成果及大壩實際運行中可能出現(xiàn)的不利情況,并根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）的規(guī)定要求,擬定下列工況進行滲流核算。

正常運行情況：

工況一：上游為正常蓄水位97.97 m,下游水位為反濾體底高程80.33 m。

工況二：上游為設(shè)計洪水位100.33 m（P=3.33%）,下游水位為反濾體底高程80.33 m。

工況三：水庫水位從設(shè)計洪水位100.33 m（P=3.33%）降至正常蓄水位97.97 m庫水位的降落期的情況。

工況四：水庫水位從正常蓄水位97.97 m降至死水位的庫水位94.19 m降落期的情況。

非常運行情況：

工況五：水庫水位為校核洪水位100.77 m（P=0.33%）的情況,下游水位為反濾體底高程80.33 m。

工況六：水庫水位從校核洪水位100.77 m（P=0.33%）降至正常蓄水位97.97 m降落期的情況。

2.2 庫水位降落期工況分析

對于均質(zhì)土壩,在庫水位降落的情況下進行土壩上游壩坡不穩(wěn)定滲流計算,由壩體填土的滲透系數(shù)k、給水度以及根據(jù)調(diào)洪計算得出的水位降落速度V,可以計算出k /從而判斷庫水位降落期的浸潤線類型。

庫水位降落土壩產(chǎn)生非穩(wěn)定滲流期間,各粘性土層的給水度 按下式計算確定。

式中：為給水度；n為土體的孔隙率；K為滲透系數(shù),cm/s。

對于無粘性土：

式中：K為滲透系數(shù),m/d。

當庫水位降落時,溢洪道及涵管的泄量按調(diào)洪計算結(jié)果取值,根據(jù)庫水位～庫容～泄量關(guān)系,計算庫水位降落速度,從而可以得出k/,從而判斷庫水位降落期的浸潤線類型。以下為各種工況下的k/（見表1）。

表1 大壩 k/計算值

表1 大壩 k/計算值

項目 工況 滲透系數(shù)K/（cm/s）孔隙率/n給水度/庫水位降落速度V/（m/d）k V大壩工況六：校核洪水位～正常蓄水位 1.171×10-40.470.0213 0.81 2.24工況三：設(shè)計洪水位～正常蓄水位 1.171×10-40.470.0213 0.51 4.26工況四：正常蓄水位～死水位 1.171×10-40.470.0213 2.50 0.90

2.3 滲透系數(shù)選定

結(jié)合《寶鴨塘水庫大壩工程地質(zhì)勘察報告》的地質(zhì)資料,壩體與壩基滲透系數(shù)采用值見表2。

表2 壩體與壩基滲透系數(shù)采用值

2.4 滲流量計算成果

通過對大壩滲流計算分析,得到滲流量計算成果見表3,滲流量均不大,單寬每米最大滲流量為0.048 m3/d。從日常檢查看,低水位時大壩滲漏主要表現(xiàn)在壩體及壩基的接觸面滲水,主要發(fā)生在左壩腳。

表3 大壩單寬滲流量 單位：m3/（d·m）

2.5 滲流比降計算成果

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）,應根據(jù)下式計算流土型臨界滲透比降：

式中：Jcr為土的臨界滲透比降；Gs為土粒比重；n為土的孔隙率（以小數(shù)計）。

土體允許滲透比降為臨界水力比降除以安全系數(shù),參考《水工建筑物》（中國水利水電出版社,2008）第321頁,黏性土的安全系數(shù)一般取1.5,大壩填土允許滲透比降計算見表4,不同工況滲透比降計算成果見表5。

表4 允許滲透比降的確定

表5 不同工況滲透比降計算成果

由滲流計算成果可知,大壩在各種工況下壩坡出逸比降小于允許滲透比降,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.6 滲流分析小結(jié)

在日常檢查時發(fā)現(xiàn),大壩左岸側(cè)排水溝處的大壩壩體與壩基接觸處有滲漏情況,初步分析為大壩壩體及基礎(chǔ)接觸面滲水,不影響大壩安全。在日常監(jiān)測中,壩體浸潤線在下游壩坡未發(fā)生出逸,滲流出口均位于壩后反濾體內(nèi),經(jīng)排水棱體底部將滲水導出。因些,壩體滲流是安全的。

3 大壩壩坡穩(wěn)定分析

3.1 計算方法

寶鴨塘水庫壩坡穩(wěn)定計算按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行,本工程為均質(zhì)土壩,采用不計條塊間作用力的簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩(wěn)定,計算公式：

式中：W為土條重量；b為土條寬度；R為圓弧半徑；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）； u為作用于土條底面的孔隙壓力；a為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；c'為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩。

寶鴨塘水庫大壩為 5 級水工建筑物。根據(jù)規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020） 的要求,采用計算及條塊間作用力的計算方法時,壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)：正常運用條件下不小于 1.25；非常運用條件I下不小于 1.15；非常運用條件Ⅱ下不小于 1.10；遭遇地震非常運用條件Ⅱ下不小于1.10。

3.2 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）的規(guī)定要求,根據(jù)《防洪標準》（GB 50201-2014）和《水利水電工程等級劃分及設(shè)計標準》（SL 252-2017）的規(guī)定,本次復核寶鴨塘水庫設(shè)計洪水標準為 30 年一遇,校核洪水標準為300年一遇。大壩壩坡穩(wěn)定復核計算工況如下：

正常運用條件：

正常蓄水位97.97 m時,上下游壩坡穩(wěn)定分析；

設(shè)計洪水位100.33 m時,上下游壩坡穩(wěn)定分析；

設(shè)計洪水位100.33 m降至正常蓄水位97.97 m的上游壩坡穩(wěn)定分析。

非常運用條件Ⅰ：

校核洪水位100.77 m時,上下游壩坡穩(wěn)定分析；

正常蓄水位97.97 m降落至死水位94.19 m的上游壩坡穩(wěn)定分析；

校核洪水位100.77 m降落至正常蓄水位97.97 m的上游壩坡穩(wěn)定分析。

非常運用條件Ⅱ：

正常運用遭遇地震。

本工程所處地帶為7度地震區(qū),根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 51247-2018）需進行地震工況復核。

3.3 計算參數(shù)

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）的相關(guān)規(guī)定,土壩壩坡穩(wěn)定計算的物理力學參數(shù)見表6,排水棱體等的物理力學指標根據(jù)相應規(guī)范并結(jié)合同類工程經(jīng)驗值類比確定。

表6 大壩穩(wěn)定計算物理力學參數(shù)采用值

3.4 計算成果

通過對壩坡抗滑穩(wěn)定復核計算,在各種工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)成果見表7,壩坡最不利滑弧位置圖見圖1～圖7,均滿足規(guī)范的要求。

表7 壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

圖1 正常蓄水位穩(wěn)定期壩坡滑?。↘上=1.889,K下=1.366）

圖2 設(shè)計洪水位穩(wěn)定期壩坡滑?。↘上=1.945,K下=1.338）

圖3 設(shè)計洪水位～正常蓄水位壩坡滑?。↘上=1.851）

圖4 校核洪水位穩(wěn)定期壩坡滑弧（K上=1.985,K下=1.323）

圖5 正常蓄水位～死水位壩坡滑?。↘上=1.678）

圖6 校核洪水位～正常蓄水位壩坡滑?。↘上=1.832）

圖7 正常蓄水位遭遇地震壩坡滑弧（K上=1.542，K下=1.207）

4 大壩結(jié)構(gòu)安全綜合評價

寶鴨塘水庫大壩結(jié)構(gòu)總體較好,大壩經(jīng)過多年的沉降,大壩上游草皮護坡局部存在不平整,根據(jù)水庫大壩運行管理和工程實際情況,通過對大壩壩坡穩(wěn)定分析,在各工況作用下,壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,故大壩結(jié)構(gòu)安全性評價為B級。

5 結(jié)語

寶鴨塘水庫壩體填筑年代較長,填筑初期已經(jīng)過人工分層碾壓,加之長期的天然固結(jié)已基本穩(wěn)定,不存在塌陷、裂縫和生物洞穴,壩體與山坡的整體性較好。根據(jù)計算分析,大壩在各種工況下壩坡出逸比降小于允許滲透比降,壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。但在日常運行管理中發(fā)現(xiàn),大壩左岸壩坡、排水棱體與壩坡接觸面處有滲水現(xiàn)象,在日后運行管理中需加強觀測與管護,適時進行除險加固處理,以提高大壩防滲能力和穩(wěn)定性。