岳壁水库大坝渗流及稳定分析

2017-07-05朱厚斌

黑龙江水利科技 2017年4期

关键词：坝基坝体渗流

朱厚斌

(临汾市水利勘测设计院，山西临汾 041000)

岳壁水库大坝渗流及稳定分析

朱厚斌

(临汾市水利勘测设计院，山西临汾 041000)

水库大坝坝体坝基内部渗流的发生及性能等都与混凝土属性有关，岳壁水库大坝受到许多外界因素的综合影响，因而内部渗流稳定情况异常复杂，笔者在结合势流原理与相关方程模型的基础上对岳壁水库大坝渗流及稳定情况进行综合分析。利用势流原理及柯西黎曼方程进行了大坝坝基耦合模型的构建，并进行了渗流稳定计算与分析，提出了针对性和适用性较强的两个加固设计方案。

岳壁水库；大坝渗流；稳定性；稳定系数；加固设计

1 工程概况

岳壁水库位于临汾市尧都区大阳镇岳壁村东南涝河一级支流内鼻河下游沟内，是一座以灌溉为主兼有防洪、养殖的小型水库，原设计水库总库容106万m3，本次设计及大坝安全鉴定时对水库库容进行复核和洪水调节计算，水库总库容为64万m3。

水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水管组成。该水库建成于1978年。大坝坝体为均质土坝，最大坝高20m，坝顶高程为590.0m，坝顶长160m，坝顶宽5m。溢洪道位于大坝左岸，矩形断面，进口底高程588m，进口宽度约2m，全部为土基且未按原设计开挖，无衬砌及消能设施。岳壁水库位于临汾市尧都区大阳镇岳壁村东南，涝河一级支流内鼻河下游，属黄河流域汾河水系。坝址以上控制流域面积8.9km2，流域长度7.0km，主河道纵坡13.2‰。本流域地下水的主要补给来源是大气降水。地下水类型为松散岩层孔隙水和碎屑岩类裂隙水；地下水由东向西迳流，最终进入汾河。

本水库工程在设计正常高水位585m时，坝体、左、右坝肩的渗透均处于稳定性状态；坝基在未考虑坝前淤积的情况下实际水力比降略小于允许水力比降，渗透处于临界稳定状态；在考虑坝前淤积的情况下渗透处于基本稳定状态。左坝肩下游坝坡存在着渗漏问题，为使大坝正常运行，建议采取防渗处理。

2 水库大坝渗流稳定分析

由于水库大坝坝体内部裂缝与孔隙十分复杂，且一旦发生渗流将直接引发大坝冲蚀侵害及滑坡破坏，以往理论大多利用势流原理的柯西黎曼方程，构建水库大坝坝体流固耦合模型，并进一步确定大坝渗流的稳定安全系数及其他相关参数，并为大坝出险加固设计提供数据支撑。计算大坝渗流稳定的流体力学法准确度较高，而且可以求出大坝任何渗流点的系列参数(渗流水头、流体压力、坡降、渗流量等)，相反水力学法计算过程较为简便、且只能计算出特定截面既定渗流点的系列参数，误差较大[1]。结合势流原理及其中的柯西黎曼方程来看，大坝渗流过程中的流函数与渗流点系列参数存在偏导的函数关系，且渗流势函数与流函数之间呈共轭关系，通过求解便可求得流网的实际值，进而可以通过比较流网值与预测值而得到渗流量、流体压力、坡降、孔隙压力等具体值。结合达西定律的相关原理与规定，水库大坝范围内所可能发生的渗流流速的二维取值在三维立体坐标轴上所反映的具体量很容易得出，将这三个反应各自方向的渗流流速的三维向量分别带入渗流方程，便可将水库大坝渗流浸润线的函数表达式写出。

浸润线的计算公式为：

(1)

其中q为水库大坝渗流量，计算公式如下：

(2)

(3)

式中：k为水库大坝渗流系数，cm/s，本工程取k=2.2×10-5cm/s；H1、H2分别为大坝坝址上下游水深，m；h0为渗流水深，m；L′为大坝坝址垂直坡面与上游坡脚处的水平距离，m。将岳壁水库大坝渗流数据代入式(1)-(3)，计算结果见表1。

表1 岳壁水库大坝浸润线计算成果

3 渗流稳定系数的确定

水库大坝内部存在各种形式渗流的情况下，各种渗流形式都会对坝体静水压力产生或多或少的不利影响，从而导致坝体土体中的含水量和含水率大大提升，而抗剪强度与抗剪能力减低，容易发生滑坡、失稳、变形等病害。可以通过计算孔隙水压力进而确定渗流总应力及其中所包含的有效应力进行大坝渗流稳定的相关分析及参数的确定，其中真正引起大坝渗流和坝体变形的是有效应力，为此，在计算和确定大坝孔隙压力的渗流影响时，只需要计算自由基面及其以下高程的静水压力即可。常用的计算方法有替代容重法和比少普法[2]。

替代容重法由最早的瑞典法演变而来，如今已经广泛运用于国内外大中型水库大坝坝体与坝基的渗流稳定分析方面，其主要利用浮容重代替自由基面以下的饱和容重，由于自由基面以下孔隙水压力值较小，一般忽略不计，该方法也只能用于平缓(或小坡度)的大坝，鉴于本工程实际情况，该方法较为适合，其渗流稳定系数的计算为：

(4)

式中：Mc为坝体加固土条对圆心力矩，kN·m，取Mc=1.0kN·m；b为坝体加固土条宽，m；c、φ为土条容重及应力指标，kg/m3；μ为自由基面以下(上)的设计高程，m；R为圆弧半径，m；W为土条重量，kg；V为垂直向惯性力大小，kN。计算结果见表2。

表2 岳壁水库大坝渗流稳定复核成果表

由表2计算结果可知，岳壁水库大坝渗流稳定系数k的取值始终>1(除下游坝段正常蓄水位+地震蓄水位工况下k<1外)，大坝渗流稳定且运行安全可靠。

为便于进行可视化处理，运用ANSYS有限元软件首先构建针对岳壁水库大坝坝体的数学模型，并将大坝模型的平面如图1所示。：

图1 岳壁水库大坝平面图

通过所选用的渗流模型可以推测，瞬间出现的坝体与坝基稳定性扰动所引发的渗流历时较长，一般都会持续十几小时甚至几十小时。为了应对这种主要由于渗流所引发的水库大坝病害的发生并在发生后控制其损害的严重程度，可以利用ANSYS模型工具先确定大坝的初始数据，并进一步得到大坝水位高程升高后的各种应力分布形态，在其中的竖向应力中，随着水位高程的提升，竖向应力中的静水压力呈现逐渐下降趋势，并且最终中间低两头高的情势分布，这充分表明水位高程的变化对大坝坝体和坝基稳定性能有直接影响[3]。