◎ 陳瑜 漆文邦 徐凱

WLQ小二型水庫大壩滲流穩(wěn)定計算

◎ 陳瑜1漆文邦1徐凱2

小二型水庫在我國數(shù)量眾多，大多數(shù)病險水庫建造于上世紀(jì)50～70年代，運(yùn)行到目前為止問題較多。本文以某一小二型水庫為研究對象，采用理正軟件計算大壩滲流及穩(wěn)定，可為確定小二型水庫大壩病險，提出加固措施提供參考。

工程概況

WLQ水庫為小二型水庫，樞紐由大壩、溢洪道、輸水涵洞三部分組成。水庫地處牟定縣鳳屯鎮(zhèn)，所在河流屬于龍川江水系中游左岸支流龍川河支流，工程區(qū)屬于亞熱帶半濕潤高原季風(fēng)氣候區(qū)，旱、濕季節(jié)分明，降水主要集中在7～10月份。

WLQ水庫壩址以上控制徑流面積為0.5km2，整個流域大致成扇形，河谷呈V型，具有顯著的山區(qū)河流特征。大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩高28m，壩頂高程1965.50m（平均），壩軸線長約121.93m，壩頂長度122m，壩頂平均寬2.5m，壩頂為土質(zhì)路面，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.8，上下游無人行梯步，下游設(shè)有排水體。水庫原設(shè)計總庫容13.5萬m3，為小二型水庫，工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為五等五級。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為二十年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為二百年一遇。

基于理正軟件的滲流穩(wěn)定分析原理

（1）滲流計算原理。穩(wěn)定期的計算方法如下：

計算單寬流量的公式為：

在無限深透水地基的情況下，浸潤線的計算考慮透水地基的有效深度：

（2）穩(wěn)定計算原理。大壩穩(wěn)定計算按有效應(yīng)力法計算。地震作用力按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算。滑弧土體的地震荷載按擬靜力法考慮，在土條上直接作用其地震慣性力只考慮順河流方向的地震作用。

計算采用簡化的畢肖普法計算。

簡化畢肖普法：

Fs——安全系數(shù)；mai——第 i個條塊的計算系數(shù)；ai——第i個條塊底部的傾角；Wi——第i個條塊的重量；Ci——第i個條塊的粘聚力；bi——第i個條塊的長度；ui——第i個條塊的孔隙水壓力；'iφ——第i個條塊的有效內(nèi)摩擦角；Qi——第i個條塊所受的水平向作用力；ei——第i個條塊所受的法向條間力；R——滑面半徑。

除險加固前大壩滲流穩(wěn)定計算

因大壩為均質(zhì)土壩，首先考慮按均質(zhì)土壩做壩坡穩(wěn)定分析計算。根據(jù)地質(zhì)勘探資料及土工試驗結(jié)果，雖然壩料不均勻，但勘察中找不到壩體分區(qū)設(shè)計填筑施工的界限，只能區(qū)分壩體與基礎(chǔ)的層面。

根據(jù)壩體填筑土料的物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合壩基情況，穩(wěn)定計算將大壩壩體、壩基分為三區(qū)考慮對應(yīng)的計算指標(biāo)，以客觀反映大壩的實際情況。具體分區(qū)及物理力學(xué)指標(biāo)如下表1、表2。根據(jù)規(guī)范采用簡化的畢肖普法計算各種工況，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為：正常運(yùn)用：K=1.25；非常運(yùn)用條件Ⅰ：K=1.15；非常運(yùn)用條件Ⅱ：K=1.10。

水庫常年處于低水位運(yùn)行，現(xiàn)狀日常蓄水高程為1964.00m，以1964.00m為正常蓄水位，計算得設(shè)計洪水位1965.01m，校核洪水位1965.39m。

地震設(shè)防烈度為Ⅶ，地震動峰值加速度值為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

圖1 正常蓄水位下壩體的浸潤線

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

表2 巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

表3 正常蓄水位壩體內(nèi)計算浸潤線

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

表5 加固后壩坡穩(wěn)定復(fù)核土料物理力學(xué)性指標(biāo)

大壩在正常蓄水位下的滲流計算結(jié)果見圖1、表3，各種工況下大壩的抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果見表4。

由計算結(jié)果可知，在正常蓄水位下，壩體及壩基單寬日滲流量Q0 =0.214m3/m.d，大壩壩體壩基年平均滲漏量估算約9529.42m3，約占正常庫容的8.36%。存在較大滲流問題。壩體下游坡浸潤線逸出點出逸坡降J=0.473（Gs=2.71 n=0.401），壩體下游順坡面臨界坡降為1.024。考慮大壩土料特性，滲透安全系數(shù)取K=2，相應(yīng)容許坡降為[J]= 0.512，由于J＜[J]，在浸潤線逸出點不發(fā)生滲透變形。

WLQ水庫因上下游坡度較陡，壩高較大，上游校核水位降至死水位、下游正常蓄水位、設(shè)計水位、正常蓄水位加7度地震、校核水位工況下相應(yīng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于相應(yīng)的規(guī)范值，水庫存在抗滑穩(wěn)定安全問題。

除險加固措施

上游壩坡按1∶2.0進(jìn)行黏土料培厚，下游壩坡按1∶2.0進(jìn)行風(fēng)化料培厚；整平水庫大壩壩頂，壩頂設(shè)2%橫坡傾向下游。上游壩坡清除植物根系層，在下游鋪設(shè)黏土料，然后鋪設(shè)矩形混凝土護(hù)面（厚100mm），在面板中下部各設(shè)一道混凝土齒墻，新建上壩梯步。下游在壩坡中部增設(shè)馬道和排水溝，壩面重新植種優(yōu)質(zhì)草皮支護(hù)，壩面下部新建下壩梯步、排水溝和貼坡排水。

大壩滲漏是由于大壩壩基清淤不夠徹底、壩體填筑質(zhì)量較差、壩體土層滲透系數(shù)偏大等原因造成的。因此可對大壩壩體采用充填灌漿，并深入壩基1.5m的防滲處理方案，充填灌漿底部高程為壩基以下1.5m，灌漿上限為1965.50m高程（現(xiàn)壩頂高程）；大壩壩基采用帷幕灌漿，并深入壩基10Lu線以下的防滲處理方案，灌漿上限為1965.50m高程（現(xiàn)壩頂高程）。壩體充填灌漿沿壩頂壩軸線布置兩排灌漿孔，孔距1.5m，從左壩肩至右壩肩，全長122m。壩體帷幕灌漿沿壩頂壩軸線布置兩排灌漿孔，孔距3.0m，從左壩肩至右壩肩，全長122m。防滲灌漿在放空庫水位后進(jìn)行，灌漿完成后再行壩頂路面施工。充填灌漿和帷幕灌漿各項技術(shù)參數(shù)在灌漿前尚需在施工初期通過灌漿試驗調(diào)整和確定。

表7 加固后土壩安全系數(shù)復(fù)核成果

除險加固后的大壩滲流穩(wěn)定分析

除險加固后根據(jù)壩址地質(zhì)剖面和各層基礎(chǔ)物理力學(xué)指標(biāo)，大壩滲流穩(wěn)定計算參數(shù)見表5，大壩除險加固后滲流穩(wěn)定計算結(jié)果見表6。

表6 滲流計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可知，大壩加固后，各種計算工況下大壩的滲透坡降均小于允許滲透坡降0.512，大壩局部滲流是穩(wěn)定的，不會發(fā)生滲透破壞；滲流量與加固前相比有所減少。大壩上下游在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值都大于相應(yīng)的規(guī)范值，說明除險加固措施正確有效。

對于小二型水庫的除險加固是為了防止事故的發(fā)生和更好的利用水庫資源，而除險加固工程的設(shè)計是對除險加固工程施工起主導(dǎo)性作用的，通過分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的問題水庫都是壩體的問題。對小二型水庫除險加固過程中，做好大壩的滲流穩(wěn)定分析，針對相應(yīng)問題提出加固措施，有利于水庫的高效除險加固。

1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院；2.四川蜀禹水利水電工程設(shè)計有限公司)