玉溪河灌區(qū)百丈水庫大壩滲流穩(wěn)定安全分析

李彥富，魏廣華，張楚笛，趙 川，肖 翔

(1.四川省玉溪河灌區(qū)運管中心，四川 邛崍，611530；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

1 工程概況

百丈水庫位于名山區(qū)百丈鎮(zhèn)上游1.7km的蒲江河支流臨溪河上，地理位置為東經(jīng)103°14′，北緯30°11.5′。水庫壩址以上集雨面積52.8km2，設(shè)計總庫容2080.0萬m3，有效庫容1960.0萬m3，正常蓄水位695.06m，校核水位695.37m，是一座以灌溉為主，兼有供水、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的中型水庫工程。水庫于1958年建成，設(shè)計控灌名山、邛崍、蒲江三縣(市)農(nóng)田0.98萬hm2。1978年，玉溪河引水工程主干渠通水后，其末端水量跌入百丈水庫，年入庫徑流總量達(dá)到3.61億m3，有效灌面擴展至2.52萬hm2。

百丈水庫樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、放水隧洞及水庫電站四部分組成，工程為Ⅲ等工程，樞紐建筑物為3級建筑物。大壩為均質(zhì)土壩，1957年11月動工，1958年7月建成，經(jīng)多次整治，壩頂高程為697.30m(復(fù)核最低壩頂高程為697.20m)，長度507m，寬度5.6m。大壩最大高度28.0m，上游邊坡采用六角塊預(yù)制混凝土襯護(hù)，設(shè)兩級馬道，從上至下坡度依次為1∶2.3、1∶3.5、1∶5.0，其下為工程棄土填壓。下游邊坡也采用六角塊預(yù)制混凝土襯護(hù)，設(shè)三級馬道，從上至下坡度依次為1∶2.0、1∶3.0、1∶3.5，壩踵為排水棱體。壩基有砂礫覆蓋層厚度約2.7m，其下基巖為砂質(zhì)粘土巖，為防壩基滲漏，壩體設(shè)兩截流槽嵌入巖基。

根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》(SL 258-2017)有關(guān)要求[1]，結(jié)合百丈水庫的實際運行工況，文章對百丈水庫土壩的滲流和壩坡穩(wěn)定進(jìn)行定量計算分析，旨在掌握大壩當(dāng)前的安全狀況，保障水庫后期的安全運行。

2 工程地質(zhì)條件

百丈水庫大壩處于邛崍名山一線以南的蒲邛臺地，主要為丘陵地貌。地勢北西高，南東低。蒲邛臺地地面高程816m～530m，平原地面高程570m～405m。受長期剝蝕作用，基面起伏不平，相對高差60余米，屬侵蝕堆積地貌。大壩左岸丘坡坡頂高程為715m～720m，右丘坡坡頂高程為720m～725m，大壩下游沖溝溝底高程為670m～675m，相對高差40m～50m，兩岸地形坡度為12°～16°。據(jù)前期資料，土壩壩基靠近右岸河床寬約30m，全為卵礫石夾砂，覆蓋于巖基上厚1.0m～3.0m，中部一級臺地寬100m，上部為褐色或灰白色粘土厚20m，下為砂類卵礫石厚1m左右，以下為基巖。第二級階地寬120m，上部有1.3m的粘土夾卵石，下面全為殘積物，最厚5.8m，下為巖基。放水洞和溢洪道均放在巖基上，巖層為新生界第三系名山群，含鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)泥質(zhì)粉砂巖。壩址和溢洪道基巖多為紅色磚紅色鈣質(zhì)砂巖、頁巖，在砂巖中的粉泥質(zhì)砂巖和砂巖兩種，又以泥質(zhì)砂巖較多，受水侵蝕呈圓形狀溶孔(約在0.2cm～0.4cm)，礦物質(zhì)有石英、長石、云母，節(jié)理裂隙發(fā)育。壩區(qū)構(gòu)造簡單，無斷裂構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為N15°～35°E/NW∠5°～7°，巖體中發(fā)育有二組構(gòu)造裂隙。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪，壩址區(qū)未見滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。壩址區(qū)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象以巖體風(fēng)化卸荷為主。研究區(qū)以龍門山-錦屏山-玉龍雪山構(gòu)造帶為界，分為兩個性質(zhì)決然不同的大地構(gòu)造單元，以東為穩(wěn)定的揚子陸塊，以西是由岡瓦納大陸、羌塘-昌都陸塊和松潘甘孜造山帶拼合的復(fù)雜地質(zhì)塊體，見圖1。

圖1 區(qū)域大地構(gòu)造單元劃分示意

3 物理力學(xué)參數(shù)及計算工況

3.1 計算工況

此次壩坡穩(wěn)定計算以2003年整治后的最大壩高典型剖面(0+080)作為計算剖面。根據(jù)調(diào)洪演算成果，百丈水庫正常蓄水位為695.06m，死水位為676.56m，設(shè)計洪水位為693.87m，校核洪水位為695.66m，因此，穩(wěn)定滲流的正常蓄水位采用正常蓄水位695.06m。下游水位采用壩體滲流量水三角堰處水位670.00m，該水位不受洪水期河道水位影響。滲流計算工況如下：

(1)上游正常蓄水位(695.06m)與下游相應(yīng)水位(670.00m)；

(2)上游校核洪水位(695.66m)與下游相應(yīng)水位(670.00m)；

(3)水位驟降期：上游正常蓄水位(695.06m)降至死水位(676.56m)，歷時25d。

3.2 計算參數(shù)

壩體物理力學(xué)計算參數(shù)見表1，壩料對應(yīng)壩體分區(qū)見圖2。

圖2 大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計算剖面

表1 百丈水庫大壩滲流及穩(wěn)定計算參數(shù)

允許滲透坡降計算：根據(jù)大壩取樣試驗成果可知，含水率W=30.5%，飽和度Sr=90.17%，液限WL=47%，塑限WP=27%，塑性指數(shù)Ip=20，干密度1.42g/m3，濕密度1.87g/m3，飽和固結(jié)快剪c=18kPa，φ=19.5°，土粒比重Gs=2.72，滲透系數(shù)K=2.2×10-7cm/s。采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄G中的判別方法[2]，根據(jù)主壩壩身填筑顆粒分析統(tǒng)計可知，壩身填筑料的滲透變形破壞為流土型。根據(jù)臨界水力坡降計算公式Jcr=(Gs-1)×(1-n)計算出壩體土的臨界水力坡降Jcr=0.89，本次滲流安全系數(shù)取2.0，計算出允許水力坡降[J允許]=0.45。

4 計算結(jié)果分析

4.1 滲流計算分析

本次百丈水庫大壩壩體的滲流和穩(wěn)定計算均采用河海大學(xué)Autobank軟件中的滲流計算模塊分析計算[3-10]。

4.1.1 滲透坡降

根據(jù)滲流計算成果，正常蓄水位時的穩(wěn)定滲流工況下壩體段滲透坡降為0.31，出逸段的滲透坡降為0.41，小于壩體允許水力坡降[J允許]=0.45，因此，大壩不會發(fā)生滲透破壞。

4.1.2 滲流量

根據(jù)壩基滲流觀測數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀大壩平均滲流量為3.0L/s，單寬滲流量為0.52m3/d·m。根據(jù)滲流計算成果，正常蓄水位時的穩(wěn)定滲流工況下壩體單寬滲流量為0.56m3/d·m，計算單寬滲流量與實測值相比差距不大，比實測值略大，因此，大壩現(xiàn)狀滲流量計算基本正確。

4.1.3 浸潤線

各工況下滲流計算成果見圖3，圖中壩體滲流分布符合粘土均質(zhì)壩滲流分布的一般規(guī)律。各工況壩體浸潤線出逸點均在壩體褥墊層范圍，并與下游水位相接，與現(xiàn)狀實際情況基本一致。將穩(wěn)定滲流時的浸潤線計算成果與0+080斷面特定水位下的測壓管監(jiān)測成果進(jìn)行比較，見圖4，由圖可知，測壓管監(jiān)測成果浸潤線在下游坡排水棱體以上三級馬道附近較計算出的理論浸潤線高，其余部位比較接近，主要原因是壩體填筑施工處于“大躍進(jìn)”年代，施工時受降雨影響，土料含水量偏大，且當(dāng)時的碾壓施工機械落后，導(dǎo)致碾壓不實、不均勻，因此，出現(xiàn)實測浸潤線偏高的問題，總體來說，本次計算模型和參數(shù)基本可靠，大壩滲流基本安全。

(a)正常蓄水位695.06m(穩(wěn)定滲流)

圖4 實測浸潤線與計算浸潤線成果比較

4.2 壩坡穩(wěn)定計算分析

各工況下壩坡穩(wěn)定計算成果見表2。百丈水庫大壩為3級建筑物，根據(jù)規(guī)范查得各運用條件下的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)[ks]。由表和圖可知，各工況下，壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)ks均大于規(guī)范要求的小安全系數(shù)[ks]，其中，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在校核洪水位降落至死水位時的上游壩坡，為1.26，同樣大于規(guī)范最小允許值1.20，如圖5所示。本次計算結(jié)果值與2012年安全評價時的計算結(jié)果進(jìn)行了對比，成果基本一致，大壩抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表2 百丈水庫大壩壩坡穩(wěn)定計算成果

圖5 水位驟降期上游壩坡穩(wěn)定計算成果(ks=1.26)

結(jié)合大壩現(xiàn)場檢查、結(jié)構(gòu)檢測以及大壩穩(wěn)定計算成果綜合分析發(fā)現(xiàn)，百丈水庫大壩整體穩(wěn)定，存在局部強度不足但尚不嚴(yán)重影響工程安全的情況，大壩結(jié)構(gòu)基本安全。

5 結(jié)論

本文采用Autobank軟件對玉溪河灌區(qū)百丈水庫大壩滲流和壩坡穩(wěn)定進(jìn)行了定量計算，分析了該土壩在不同運行工況下的滲透坡降、滲流量、浸潤線位置以及上下游壩坡最小安全系數(shù)，得到以下結(jié)論：

(1)穩(wěn)定滲流工況下壩體段滲透坡降為0.31，出逸段的滲透坡降為0.41，小于壩體允許水力坡降值0.45，大壩不會發(fā)生滲透破壞。

(2)計算得到正常蓄水位時的穩(wěn)定滲流工況下壩體單寬滲流量為0.56m3/d·m，與壩基實際滲流觀測值0.52m3/d·m基本一致，表明本次計算結(jié)果是合理的。

(3)浸潤線計算結(jié)果顯示壩體滲流分布符合粘土均質(zhì)壩滲流分布的一般規(guī)律，各工況壩體出逸點均在壩體褥墊層范圍，并與下游水位相接，大壩滲流基本安全。

(4)百丈水庫大壩上下游壩坡最小安全系數(shù)計算值為1.26，大于規(guī)范最小允許值1.20，表明大壩整體穩(wěn)定，大壩結(jié)構(gòu)基本安全。