浅谈小型病险水库坝体稳定渗流分析

摘 要：本文以我国目前中小型水库坝体的使用现状为切入点，从设计与实际形成效果的联系等几个方面进行分析，总结出一些切实可行的设计方法，总结了坝体渗流分析的各种方法，并综述了水力学法、实验法和有限单元法的基本理论、定解条件及各种方法之间的差异。

关键词：病险水库; 稳定渗流

0、 前言

土石坝作为一种最古老的水工建筑物，迄今仍不失去其发展的光辉。土石坝具有适用条件广、可就地取材、经济效益好、设计手段高、施工速度快、施工导流易解决、抗震性能强等优点，因而被广泛采用。

水库对于我国的农业生产城市用水保障等方面都是十分重要的，其重要性不言而喻。所以水库的安全评价是我国历来十分重视的。安全评价中渗流评价是重中之重的内容。据统计，在坝与水库失事的事故统计中约有30%左右是由于渗流问题引起的，可能导致流土、接触流土、不同程度的管涌、接触冲刷等破坏，因此深入研究渗流问题，控制渗流是非常重要的。本文研究的某小Ⅱ型水库现已运行有二十多年之久，由于该水库是在特殊的历史背景下兴建，勘测、设计及施工方面均存在较多缺陷，加上建设和运行期间缺少资金，建设和管理无法按要求到位，给工程留下许多隐患。主坝外坡左侧高程79.5m处左右有湿润散浸，其中2处渗水水流浑浊并有细粉粒带处地表，属非正常渗漏，右端有3处湿润散浸。主坝右、左两岸坝肩接触处坡脚均见一股渗漏水，其流量约0.04~0.08L/S。针对这一现状，2009年工程人员对其进行了灌浆加固处理。本文对主坝的渗流稳定进行对比分析。

1、某小Ⅱ型水库基本情况及存在的问题

1.1某小Ⅱ型水库基本情况

我国某小Ⅱ型水库位于某中级城镇境内，水库距县城100km，距最近小镇25km。大坝为均质土坝,最大坝高15.57m。坝体土和坝基的渗透系数K分别为1.90×10-5cm/s、 3.6×10-6cm/s。。

计算工况：根据该水库的水位值及运行调度情况，水库水位从正常蓄水位798.80m降至死水位790.50m大约需要20d，库水位的平均降速为v=0.42m/d，按《水力计算手册》中推荐的判别式K/(μv)计算得K/(μv)=3.1，此值大于0.1 (库水位骤降的判别临界值)，但小于60(极缓慢下降判别临界值)，因此该水库在库水位下降时为缓降类型，上游坝坡中渗流为非稳定渗流。故对其分六种情况进行渗流计算，具体工况为：工况1：上游为正常高水位798.80m时的情况;工况2：上游为设计洪水位799.60m时的情况;工况3：上游为校核洪水位799.90m时的情况;工况4：上游库水位由798.80m降至死水位790.50m时的渗流情况;工况5：上游库水位由799.60m降至死水位790.50m时的情况;工况6：上 游 库 水 位 由799.90m骤降至798.80m再降至死水位790.50m时的情况。工况4、5、6为非稳定渗流工况。

1.2 计算结果及渗流运行分析

根据坝体内浸润线位置，工况1到工况6渗流时的渗透坡降分别为J=0.34-0.43。由《水利水电工程地质勘察规范》中的公式计算可得出坝体土的临界渗透坡降为Jcr=(Gs-1)(1-n)=0.96，允许的渗透坡降[J]=0.48，工况1到工况6的渗透坡降计算值均小于规范所得的允许值。

鉴于该水库是人工打夯碾压土坝，技术含量低，使上坝土料含水量控制不严、土质较差、压实不均匀，导致坝体质量较差。现场踏勘表明，下游坝坡在桩号0+049、高程794.08m处、桩号0+063、高程795.84m处、桩号0+067、高程795.00m处存在三个集中漏水点，总渗漏量达到0.6L/s;下游坝坡在桩号0+016—0+052、高程792.12—788.17m范围内存在散浸现象，渗漏量达0.4L/s。现场钻孔注水试验资料表明：坝体土的渗透系数K=7.1×10-5—2.4×10-4，属弱-中等透水层。综上所述，建议进行防渗处理。坝基和坝肩属弱透水层，可不进行防渗处理。

2、坝体稳定性分析

新中国成立后，我国新建了许多土坝、土石坝等工程，它们在建成后，出现了大量的坝体稳定性问题，特别是建国初期五、六十年代的许多大坝，都是三边工程(即：边勘察、边设计、边施工)，对整个工程的可靠性、安全度以及社会经济效益均产生了重大影响。如果不加大研发力度、完善现有方法，不但会阻碍国内设计、施工技术的提高，也会浪费国家有限的资金，并且会对地区的发展造成负面影响。因此，对土石坝进行准确的稳定分析有着十分重要的意义。目前土石坝边坡稳定分析的方法主要有极限平衡法(条分法)和有限单元法。

2.1极限平衡法

瑞典人彼德森于1916年首次提出了刚体极限平衡法。随后的几十年，大量学者针对极限平衡法中条件力的不同假设，使土坡稳定由超静问题变成静定问题，解出土坡的安全系数，这样就产生了多样的极限平衡分析方法，针对各类极限平衡法都是在假定前提下进行计算，势必都存在一定局限性。极限平衡法依照摩尔-库仑强度准则做了如下假设： 稳定分析的目的在于确定潜在破坏面的安全系数，安全系数的定义为抗滑力和滑动力之比即： 。极限平衡法将滑动土体分成若干土条，每个土条和整个滑动土体都要满足力和力矩平衡条件。在静力平衡方程组中，未知数的数目超过了方程式的数目，解决这一静不定问题的办法是对多余未知数作假定，使剩下的未知数和方程数目相等，从而解出安全系数的值。

2.2有限单元法

有限单元法在有关边坡、坝体的抗滑稳定分析中应用得最早、也最为广泛，它的优点是考虑边坡岩土体的各向异性和不连续性，它可以给出岩土体的应力应变大小、分布规律、变化趋势，以及屈服贯通区域等，克服了刚体极限平衡分析法假定条件较多的缺点，计算过程严密、计算结果精确，能从应力应变关系去分析边坡、坝体的失稳破坏机理，从而得出最容易发生变形破坏和首先需要采取加固措施的部位等。有限单元法也存在自身的缺陷，如求解大变形、位移不连续等问题，对于无限域、应力集中等问题的求解也不甚理想。

有限元把求解的渗流区域分成为有限个相互连接的子区域，把待定的水头函数用子区域内连续的分区近似水头函数来代替。这些子区域就是有限单元，简称有限元。这些单元的结合点称为单元节点如图1。

图1、渗流区域中的微分单元体

所有渗流区域内的节点的水头函数值就近似地代表了整体的水头函数。这样的求解过程实质上就是把原来用微分方程求解变换为若干个待定值的代数方程。一经求出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，进而得到整个求解域上场函数的近似值。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，只要单元满足收敛要求，近似解最后将收敛于精确解。

3、结语

本文对已建水库进行防渗加固工程中，在本文设置的工况下，防渗墙墙体存在缺陷对防渗加固效果影响最大，其次是防渗墙体底高程，影响相对最小的是防渗墙体渗透系数。

通过对具体算例较为深入细致的分析，对水位变化渗流场的分布以及由此引起的滑坡失稳的机理和规律有了进一步的认识。可为我国病险水库防渗加固及其水库运行调度提供参考，具有一定的理论意义和实用价值。

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