任莊水庫大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

高 超

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030024）

任莊水庫大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

高 超

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030024）

任莊水庫防洪任務(wù)艱巨，大壩的安全至關(guān)重要。現(xiàn)狀土壩壩體密實(shí)度不高且不均勻，內(nèi)部存在多處軟弱帶，其壩坡穩(wěn)定計(jì)算較為復(fù)雜。本文主要介紹了該土壩的滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算情況，并對(duì)計(jì)算參數(shù)選取及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了合理性分析，最后判定該壩體不安全，水庫屬病險(xiǎn)庫，應(yīng)盡快進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

土壩；滲流計(jì)算；壩坡穩(wěn)定分析

1 工程概況

任莊水庫位于山西省晉城市澤州縣高都鎮(zhèn)任莊村南的丹河干流上，距晉城市區(qū)20km，系黃河流域沁河水系丹河干流上的一座以防洪為主，兼顧灌溉、供水的中型水庫，水庫控制流域面積1298.6km2，總庫容8050萬m3。水庫擔(dān)負(fù)著晉、豫兩省三市（晉城市、焦作市、沁陽市）的防洪任務(wù)，并承擔(dān)澤州縣2.4萬畝耕地的灌溉任務(wù)和晉城市的供水任務(wù)。

樞紐工程由大壩、正常溢洪道、非常溢洪道和放水涵洞四部分組成。

任莊水庫為碾壓土壩，最大壩高35.3m。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2000），確定工程規(guī)模為中型水庫，工程等別為Ⅲ等。主要建筑物大壩、溢洪道、放水涵洞為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)性建筑物為5級(jí)。大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。壩址區(qū)地震基本烈度Ⅵ度。

水庫正常蓄水位765.36m，汛限水位762.86m，設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）773.91m，校核洪水位（P=0.1%）776.20m，死水位761.00m。

任莊水庫大壩始建于1959年10月，1960年3月竣工并投入使用。水庫現(xiàn)狀壩高35.3m，壩頂寬5m，壩頂有高1.1m的防浪墻。大壩上游平均壩坡1∶2.75，下游壩坡1∶2.5。受當(dāng)時(shí)施工機(jī)械條件的限制和冬季施工的影響，壩體密實(shí)度不高且不均勻，內(nèi)部存在多處軟弱帶。

2 計(jì)算參數(shù)及工況

2.1 滲流計(jì)算

2.1.1 滲流計(jì)算參數(shù)

滲流計(jì)算參數(shù)考慮地質(zhì)專業(yè)成果，并根據(jù)壩體實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線反算校核和修正各項(xiàng)參數(shù)綜合確定，見表1。

表1 任莊水庫滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

2.1.2 滲流計(jì)算工況

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2001）8.1.2的規(guī)定，滲流計(jì)算應(yīng)包括以下4種水位組合情況：

a.上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位。

b.庫水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

c.上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位。

d.上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位。

根據(jù)水庫的運(yùn)行條件可知，水庫在校核洪水位蓄水時(shí)間較短，壩體形不成穩(wěn)定滲流；任莊水庫現(xiàn)狀水位已經(jīng)較低，接近空庫運(yùn)行，因此庫水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況對(duì)于現(xiàn)狀大壩不進(jìn)行計(jì)算；綜上情況，現(xiàn)狀壩體可只對(duì)第1種水位組合情況進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

2.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

2.2.1 壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

壩體土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表2。

表2 壩體土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.2.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況

任莊水庫大壩為3級(jí)建筑物，壩址區(qū)地震設(shè)防烈度為6度。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2001），大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算考慮以下幾種工況：

工況1：施工期的上、下游壩坡。

工況2：正常蓄水位下穩(wěn)定滲流期的下游壩坡。

工況3：設(shè)計(jì)洪水位下穩(wěn)定滲流期的下游壩坡。

工況4：水庫水位降落期的上游壩坡。

工況5：正常運(yùn)用遇地震的上、下游壩坡。

任莊水庫現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定計(jì)算，不存在施工期的上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算；壩址區(qū)地震設(shè)防烈度為6度，故可不進(jìn)行地震工況計(jì)算；由于現(xiàn)狀水庫一直為帶病運(yùn)行狀態(tài)，水位一直較低，已接近空庫運(yùn)行，可不做水庫水位降落期的計(jì)算。另外，水庫淤積嚴(yán)重，壩前淤積高度已大于壩高的1／3。故此次計(jì)算只對(duì)現(xiàn)狀壩體正常蓄水位下穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算過程

3.1 計(jì)算斷面選擇

計(jì)算斷面選擇最不利且有代表性的斷面，即采用最大壩高斷面（樁號(hào)0+240）。

3.2 計(jì)算方法及原理

a.滲流計(jì)算方法。采用數(shù)值計(jì)算法（有限元）進(jìn)行計(jì)算，有限元法的計(jì)算原理如下。

雅可布（1950年）根據(jù)質(zhì)量守恒原理及考慮介質(zhì)和水體的壓縮性給出的公式為

考慮水和土全是不可壓縮時(shí)，上式變?yōu)?/p>

將達(dá)西定律：Vx=-Kx，Vy=-Ky，Vz= -Kz代入式（2），得穩(wěn)定滲流的微分方程為

對(duì)于非穩(wěn)定滲流將考慮介質(zhì)和水體的壓縮性進(jìn)行推導(dǎo)。將達(dá)西定律代入式（1），得非穩(wěn)定滲流的微分方程為

式中 h——測(cè)壓管求得的水頭；

x，y，z——平面坐標(biāo)；

Kx，Ky，Kz——x，y，z軸方向的滲透系數(shù)；

ρ——水的密度；

n——土體的孔隙率；

a——壓縮模量；

g——重力加速度；

β——水的壓縮性；

t——時(shí)間。

本次計(jì)算為平面二維計(jì)算，不涉及式中的z。

b.壩坡穩(wěn)定計(jì)算方法。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2001），壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用剛體極限平衡法。對(duì)于均質(zhì)壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，宜采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法；對(duì)于有軟弱夾層、薄斜墻、薄心墻的壩坡穩(wěn)定分析及任何壩型，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯等方法。任莊大壩存在軟弱夾層，因此采用摩根斯頓-普賴斯法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行參考校核。

摩根斯頓-普賴斯法和簡(jiǎn)化畢肖普法的計(jì)算原理及公式見《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2001）附錄D.2。

3.3 軟件計(jì)算

采用“AutoBank 7.08版”軟件進(jìn)行滲流分析計(jì)算和邊坡穩(wěn)定分析。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 滲流計(jì)算結(jié)果

計(jì)算浸潤(rùn)線如圖1所示。計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

圖1 現(xiàn)狀壩體正常蓄水位時(shí)的浸潤(rùn)線

表3 現(xiàn)狀壩體滲流量計(jì)算結(jié)果

表4 現(xiàn)狀壩體滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，水庫正常蓄水位時(shí)壩體浸潤(rùn)線出逸高程752.10m，壩體和壩基的滲漏量約2085m3／d。壩體內(nèi)部滲透比降接近允許比降，壩體和壩基的出逸部位滲透比降大于允許比降，滲透穩(wěn)定不安全。

4.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖2為壩坡穩(wěn)定計(jì)算圖，計(jì)算結(jié)果見表5。

圖2 正常蓄水穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定計(jì)算

表5 現(xiàn)狀壩體壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算，穩(wěn)定期上、下游的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.501和 1.214，與摩根斯頓-普賴斯法計(jì)算的結(jié)果相差不大。

正常蓄水位穩(wěn)定滲流期，下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于允許值，不安全。

5 合理性分析

由計(jì)算結(jié)果可知，壩體出逸部位與壩基出逸段的滲透比降大于相應(yīng)的允許比降，滲透穩(wěn)定不安全，因此需要采取相應(yīng)措施保證壩體和壩基的滲透穩(wěn)定安全。計(jì)算水位采用實(shí)際水位764.50m時(shí)的計(jì)算浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線基本吻合，說明此次計(jì)算所采用的滲透系數(shù)等參數(shù)基本合理，符合實(shí)際。該滲透系數(shù)考慮了現(xiàn)狀壩體土滲透系數(shù)的各向異性，垂直滲透系數(shù)小于水平滲透系數(shù)。另外，計(jì)算模型根據(jù)此次勘查成果考慮了壩體內(nèi)實(shí)際存在的多條軟弱帶，其對(duì)壩體的滲流和壩坡穩(wěn)定都有影響，故計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

6 結(jié) 語

任莊水庫防洪任務(wù)艱巨，水庫現(xiàn)狀壩體內(nèi)部滲透比降接近允許比降，壩體和壩基的出逸部位滲透比降大于允許比降，滲透穩(wěn)定不安全；大壩下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，不安全。水庫已屬于病險(xiǎn)庫，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。建議對(duì)該壩基設(shè)置防滲墻，下游增設(shè)排水棱體，上堵下排；壩體加固培厚，保證壩坡穩(wěn)定。希望本文對(duì)壩體內(nèi)部存在軟弱帶的土壩滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算有一定的參考作用。

［1］ SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

［2］ 毛昶熙.滲流計(jì)算與控制［M］.2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

［3］ 關(guān)志誠.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)：第6卷土石壩［M］.2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

Analysis on dam seepage and dam slope stability calculation in Renzhuang Reservoir

GAO Chao
（Shanxi Hydroelectric Investigation＆Design Institute，Taiyuan 030024，China）

Renzhuang Reservoir has hard flood control task.Whether the dam is safe or not is very important.Current earth dam degree of density is low and uneven.There are many weak belts in the dam.The dam stability calculation is more complicated.In the paper，dam seepage and dam slope stability calculation condition are mainly introduced.The rationality of calculation parameter selection and calculation results is analyzed.Finally，it is determined that the dam body is not safe，the reservoir is risky.Risks should be removed for reinforcement as soon as possible.

earth dam；seepage calculation；dam slope stability analysis

TV223

A

1673-8241（2016）09-0067-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.09.016