苏兴宽

（吉林省第二松花江防汛机动抢险队，吉林 吉林 132101）

我国是世界上水库数量最多的国家，同时我国水库的病险问题也日益凸显［1］。我国病险水库不仅数量庞大，而且分布广泛［2］。在过去的“十五”期间，我国加大了对大中型病险水库除险加固的投资力度，大型水库的病险率已由1999年底的42%下降到14%，中型水库病险率由41%下降到25%，取得了较好效果［3］。而根据统计，我国中小型病险水库数量达5.74万座，占总数量的95.3%。因此，小型病险水库除险加固是当前我国病险水库除险加固工作的重点，而准确定量地评估加固后坝体的渗透稳定更是水库除险加固的工作重点［4-6］。

本文以腰石水库为例，首先分析了大坝目前存在的问题，并提出相应的整治建议，研究了该病险水库均质坝在加固后的渗流稳定情况，重点分析不同工况下坝体渗流场、渗透比降、渗流量、坝坡安全系数和最不利滑裂面，从而复核大坝整治设计方案的合理性，并为后期坝体的运行管理提供借鉴。

1 工程概述

腰石水库位于吉林省磐石市烟筒山镇腰石屯南0.5km，饮马河支流大力河上游，控制流域面积8.3km2，是一座以防洪、灌溉为主，结合养鱼等综合利用的小型水库。该水库是以灌溉为主，兼有防洪等综合利用的小（2）型水利工程，大坝等主要建筑物为5级建筑物，次要建筑物与临时建筑物均为5级。该工程坝址以上集雨面积8.3km2，总库容33.64万m3，有效库容25.65万m3，设计控制灌溉面积26.67hm2。枢纽工程由大坝、溢洪道、取水设施3部分组成。大坝为均质土坝，坝顶高程384.50m，最大坝高12m，坝顶宽2.5m，坝顶长100m。大坝内坡为六棱块衬砌，杂草丛生；大坝坝顶未硬化，下游未衬护、坡面不规整。

2 大坝问题分析及整治建议

2.1 现状调查

通过对水库大坝进行现场安全检查，并对大坝工程质量、运行管理、结构安全、渗流安全进行分析评价，对大坝防洪标准、抗震安全进行复核。发现水库大坝主要存在以下问题：①大坝上下游坝坡杂草丛生，下游坡面不平整，无周边排水沟；②大坝下游坝坡稳定安全系数不满足SL189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》相关要求。

2.2 整治建议

针对大坝下游坝坡不稳的情况，可采用两种方案进行处理。

（1）方案1：加宽硬化坝顶，将坝轴线下移，培厚下游坝体。

（2）方案2：对下游坝体进行削坡处理，放缓下游坝坡。

方案2将进一步减少坝顶宽度，对坝顶结构及交通要求不利。故本工程最终采用方案1为大坝加固设计推荐方案。

本次考虑对下游坝坡培厚至1∶1.9，并采用框格梁草皮护坡进行加固处理；加宽坝顶路面至4.5m，重建防浪墙，拆除原下游排水棱体，并新建排水棱体，增设排水沟和下游坡脚混凝土挡墙整治。

3 研究方法

3.1 非饱和渗流有限元理论

根据达西渗透定律，岩土体非稳定渗流场的控制性微分方程可表述为：

式中 ∂x， ∂y分别为x，y轴方向；kx，ky分别为x，y方向的渗透系数（m/s）；H为水头（m）；Q为边界渗漏量（m3/s）；Mw为水土特征曲线的斜率；γw为水重度，取1000kg/m3。进一步采用（Glerkin）加权余量法，则可推导出有限元渗流方程［7-9］，如式（2）：

式中 τ为单元厚度（m）；A为单元面积（m2）；λ为Mwγw；B为水力梯度矩阵；C为单元导水率矩阵；H为水头向量；N为插值函数向量；q为单元边界单位渗流量（m3/s）；L为单元边长（m）。

3.2 块体极限平衡法

坝体的稳定性计算主要考虑水位以上坡体的渗流压力，而水位以下部分，将坡面以上水体视为一种有重度无强度的特殊材料，根据该思路本次坝坡稳定计算采用Bishop简化条分法［10］。

结合大坝工程地质条件，采用GeoStudio软件计算分析库水位在不同水位时坝体内瞬时浸润线，并将计算结果导入边坡稳定性计算模块中，运用块体极限平衡法进行稳定性计算，即可获得大坝坝坡稳定安全系数与水位变动速率条件、水位高度与时间的相互关系［11］。结合现场取样及室内土体试验报告，坝体二维渗流计算主要物理力学参数如表1。

表1 坝体材料主要物理力学参数

3.3 计算工况

3.3.1 渗流分析计算工况

根据SL189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》规定，渗流计算应考虑水库运行中的各种不利组合，并结合水库的水位特征和运行情况，对各种水位情况下做了稳定渗流计算和非稳定渗流计算。其渗流计算工况如下：

（1）上游正常蓄水位与相应下游水位。（2）上游设计洪水位与相应下游水位。（3）上游校核洪水位与相应下游水位。（4）上游校核洪水位降至正常水位。

（5）上游正常蓄水位降至死水位。

由于大坝下游为养殖鱼塘，下游水位高程均采用373.10m。大坝正常蓄水位382.00m，设计洪水位382.98m，校核水位383.44m，死水位375.66m。

3.3.2 坝坡稳定分析计算工况

本工程区地震烈度为6°，不考虑地震。计算工况包括正常运用条件及非常运用条件。各计算工况如下：

3.3.2.1 正常运用条件

（1）工况1：由正常蓄水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡。

（2）工况2：设计洪水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡。

（3）工况3：校核水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡。

3.3.2.2 非正常运用条件

（1）工况4：由校核水位骤降至正常蓄水位形成非稳定渗流期的上游坝坡。

（2）工况5：由正常蓄水位骤降至死水位形成非稳定渗流期的上游坝坡。

根据实际卧管的最大放水速率，选取库水位骤降速率为1.5m/d。

4 大坝渗流稳定分析

4.1 渗流

图1为整治后的腰石水库大坝在5种运行工况下的浸润线分布。分析可知：在正常蓄水位、设计洪水位和校核水位3种工况下，坝体形成稳定渗流，浸润线均通过排水棱体迅速降低，并排至下游鱼塘。在2种骤降工况下，由校核水位骤降至正常蓄水位形成非稳定渗流时，各时间段内浸润线均在上游位置最高，说明此时坝体内“退水”较快，与水位下降基本保持同步，而在正常蓄水位骤降至死水位形成非稳定渗流时，在骤降过程中坝体内的浸润线明显高于上游水位，说明此时坝体内“退水”慢，坝体内水相对于库水位下降更慢，上游部位的坝体土处于非饱和状态，孔隙水压力较大，根据有效应力原理可知，这将对上游坝坡稳定产生不利影响。

图1 水库大坝各工况坝体浸润线分布

表2为整治后的腰石水库大坝不同运行工况下的坝体渗漏量及渗透比降，分析可知：上游水位越高，坝体单宽渗流量越大（校核洪水位时为5.32×10-7m3/s），渗透比降也越大，在校核洪水位时渗透比降最大为0.51，但均小于试验允许值0.62，故认为整治后的腰石大坝不会发生渗透破坏。

表2 渗流量及渗透比降计算成果

4.2 坝坡稳定分析

根据上述对不同工况下大坝体的渗流计算结果，进一步计算了对应工况的上、下游坝坡稳定安全系数及不利滑裂面，如图2。分析可知，5种工况下大坝的上、下游最不利滑裂面基本相同，其中上游坝坡滑裂面起于下游坡面顶部，从上游坡脚剪出，而下游坝坡滑裂面起于上游坡面上部，从下游坡脚剪出。

图2 水库大坝各工况坝体抗滑稳定计算结果

从表3可知，在坝体形成稳定渗流时，随着库水位的升高，上游坝坡安全系数逐渐增大，而下游坝坡有逐渐减小的趋势。当坝体在非稳定渗流工况（库水位骤降）时，上游坝坡安全系数出现骤降，其中校核水位骤降至正常蓄水位（工况4）安全系数为1.592，而正常蓄水位骤降至死水位时 （工况5）安全系数仅1.123，说明此时上游坝坡稳定性最差。但各工况下大坝上、下游坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于规范最低要求值，说明整治后的大坝坝坡稳定满足规范要求。

表3 大坝坝坡抗滑稳定安全系数统计

5 结语

（1）在正常蓄水位骤降至死水位形成非稳定渗流时，坝体内的浸润线明显高于上游水位，上游部位的坝体土处于非饱和状态，对上游坝坡稳定不利。

（2）各工况下大坝的渗透比降均小于允许值0.62，整治后的大坝不会发生渗透破坏。

（3）当坝体形成稳定渗流时，库水位升高使上游坝坡安全系数明显增大，同时下游坝坡安全系数逐渐减小。

（4）不同水位下降速率时坝体的最不利滑裂面基本相同，库水位下降速率和上游水位高程对大坝上、下游坝坡滑裂面的分布没有影响。

（5）正常蓄水位骤降至死水位时上游坝坡安全系数仅为1.123，此时坝坡稳定性最差。各工况下大坝坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于规范最低要求值，说明整治后的大坝坝坡稳定满足规范要求。

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