岭底水库大坝渗流和坝坡稳定分析

岭底水库大坝渗流和坝坡稳定分析

刘小波

河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021

摘 要：岭底水库坝体存在多处裂缝及孔洞附近土体压实质量较差，下游坝坡不稳等问题，水库长期在高水位运行时，坝坡洇湿。坝体在上游铺设防渗土工膜之后，浸润线明显降低，采取下游坝坡增加压重平台解决大坝下游坝坡抗滑不稳定的问题。

关键词：坝坡不稳 坝坡加固 土工膜 增设戗台

1工程基本情况

岭底水库位于石家庄市鹿泉区铜冶镇岭底村东，座落在子牙河水系滏阳河流域洨河支流金河上，水库控制流域面积3.4km²，灌溉面积1500亩，总库容45万m³，兴利库容5.5万m³，是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库。水库枢纽主要由大坝、溢洪道、输水洞等建筑物组成。该水库于1976年10月开工兴建，1978年6月竣工并蓄水运用。

水库大坝为均质土坝，现状实测坝顶平均高程100.60m，坝长330m，最大坝高11.60m，坝顶平均宽度4.2m。上游为干砌石护坡，坡比为1:2.7，下游无护坡，在下游坝坡高程98.50m有平台，上有一横断面0.5m×0.3m（宽×高）的灌溉小渠道。下游坝坡灌溉渠道以上坡比为1:1.1～1:1.3，灌溉渠道以下边坡为1:1.4～1:2.8。

该地区地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度。

水库的特征水位：

水库校核洪水位 99.18m

水库设计洪水位 98.38m

水库正常蓄水位 95.20m

水库汛限水位 95.20m

水库死水位 93.50m

岭底水库坝体存在多处裂缝及孔洞，通过对部分能观测到的裂缝和孔洞进行局部开挖，发现坝体裂缝及孔洞附近土体压实质量较差，土体不密实。水库坝体存在孔洞及裂缝的原因主要为水库建成时间较早，大坝修建的时候，压实设备主要为人工打夯压实，从而造成坝体土部分区域压实质量不满足要求，加上后期水库运行期间，库区及坝坡下游新灌溉渠道渗漏严重，雨水冲刷上下游坝坡，导致坝顶及坝坡上下游部分区域形成孔洞和裂缝，甚至部分裂缝由于塌陷，已形成表面冲沟，从而对现状坝体造成隐患。

本文通过对大坝渗流和坝坡稳定计算结果进行分析，为大坝加固设计提供依据。

2 加固前渗流稳定复核

2.1坝体填料物理力学指标

渗流稳定复核计算采用的坝体填料指标及地基土渗透系数根据地质勘察报告确定确定。

坝体填筑材料及坝基土的渗透系数取值见表2-1。

表2-1 坝体填料和坝基土物理力学指标表

2.2渗透稳定计算

渗流计算采用河海大学工程力学研究所开发的《水工结构分析系统》AutoBank程序进行计算。该程序可以在给定坝体填料和坝基土的渗透指标及上、下游水位等条件下计算流场数据，并在AutoCAD下将浸润线、等势线、渗透坡降等值线等图形绘制在大坝断面网格划分图上。

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》，并结合水库的运用调度原则，计算正常蓄水位、设计洪水位、允许最高洪水位的稳定渗流以及正常蓄水位降至死水位、设计洪水位降至汛限水位、校核洪水位降至正常蓄水位的非稳定渗流时的坝体浸润线。大坝计算渗透坡降值见表2-2。

表2-2 大坝渗透比降计算成果表

从表2-2中可以得知，岭底水库坝体及坝基渗透稳定满足规范要求。

2.3大坝坝坡稳定复核

根据地质勘察资料，对水库现状大坝进行了复核计算，计算断面选取和坝体填料及坝基物理力学指标同渗流稳定计算。

（1）计算方法

本次复核采用河海大学工程力学研究所开发的《水工结构分析系统》Slope r1.3程序中的简化毕肖普法对大坝坝坡进行稳定计算。该程序可通过建立大坝断面土层模型，录入不同土层的物理力学指标、不同工况下坝体浸润线以及滑弧始末范围等约束条件，算出圆弧滑裂面的安全系数，并找出最小安全系数和相对应的滑弧位置。

（2）计算工况

计算工况依据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》规定选取：

1）上游坝坡

① 正常运用条件

库水位由设计水位98.38m降至汛限水位95.20m

② 非常运用条件

库水位由正常蓄水位95.20m降至死水位93.50m的非稳定渗流期。

库水位由校核水位99.18m降至正常蓄水位95.20m的非稳定渗流期。

2）下游坝坡

① 正常运用条件

库水位处于正常蓄水位95.20m的稳定渗流期。

库水位处于设计洪水位98.38m的稳定渗流期。

② 非常运用条件

库水位处于校核洪水位99.18m的稳定渗流期。

（3）计算成果

由表2-3 可知，岭底水库现状大坝上游坝坡抗滑稳定满足规范要求，下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求。

表2-3 现状大坝（0+150）坝坡稳定复核计算成果表

3大坝坝坡加固设计

由渗透稳定计算成果可知，坝体渗透稳定满足规范要求，大坝上游坝坡抗滑稳定满足规范要求，但下游坝坡抗滑稳定不满足规范要求。

结合坝体实际情况，本次除险加固设在上游坝坡、坝脚及上游铺盖段铺设防渗土工膜，以增加渗径、降低渗透坡降，减少渗漏量，降低坝体浸润线。下游坝坡增加压重平台解决大坝下游坝坡抗滑不稳定的问题。具体方案如下：

结合本次地质勘查情况，水库采用粘性土截水槽和防渗土工膜相结合的方法。水平防渗土工膜铺设范围为0+000～0+230。防渗方案见图5-15。具体做法是：对于桩号0+140～0+230，基岩埋深较浅部位，坝脚明挖截水槽回填粘土，截水槽底宽1m，边坡为1:0.5，深度为岩石基础以下0.5m。上游防渗土工膜铺设自坝顶沿上游坝坡铺设至坝脚，并与粘性土截水槽紧密结合，土工膜在上游坝脚处锚固在基岩中。对于桩号0+000～0+140，上游防渗土工膜铺设顶高程为100.10m，沿上游坝坡铺设至坝脚，其中对于上游渗漏比较严重的桩号0+000～0+095范围内，土工膜向上游延伸40.0m，桩号0+095～0+140土工膜向上游延伸20.0m，复合土工膜水平防渗体上铺设0.6m保护层，土工膜在上游坝坡处锚固在护坡基础土料中。

图2-1 水平防渗方案

结合工程存在的问题进行加固处理，处理方案如下：

1) 对于坝体孔洞及深度不大的裂缝，采用开挖后回填，在用低塑性粘性土封填、夯实的方法。裂缝的开挖长度应超过裂缝两端1m、深度超过裂缝尽头0.5m；开挖坑槽底部的宽度至少0.5m，回填部位用粘性土填筑，要求压实度不小于0.96，渗透系数不大于1×10^-4cm/s。

对于较大的裂缝先以人工采用梯形楔入式将裂缝开挖至缝底以下0.5m，开挖槽底宽1m，槽壁边坡从下到上采用1:0.2，1:0.5，1:1再人工结合槽修成梯形断面并洒水湿润后，用粘性土按照每层0.2m铺筑，蛙式打夯机夯实。

2) 下游坝坡灌溉渠道后增设戗台，戗台高程98.5m，新增宽度0～1.5m，下游边坡为1:2.75。

3) 拦河坝上游采用粘性土截水槽和防渗土工膜相结合的方法，水平防渗土工膜铺设范围为桩号0+000～0+230。上游防渗土工膜铺设顶高程为100.10m，沿上游坝坡铺设至坝脚，然后向上游延伸，其中桩号0+000～0+095向上游延伸40m，桩号0+095～0+140向上游延伸20m，并锚固在护坡基础土料中，桩号0+140～0+230锚固在坝脚基岩中。具体做法自下而上是：干砌石厚0.3m，碎石垫层厚0.15m，中粗砂厚0.1m，复合土工膜水平防渗体。

4大坝加固后渗流稳定及坝坡稳定计算

水库长期在高水位运行时，坝坡洇湿，下游河沟坑塘均有明流出逸，坝体在上游铺设防渗土工膜之后，浸润线明显降低，根据原断面计算结果，采取下游坝坡增加压重平台解决大坝下游坝坡抗滑不稳定的问题。抗滑稳定计算成果见表4-1。

表4-1 加固后大坝（0+150）坝坡稳定复核计算成果表

加固后大坝渗流稳定和坝坡稳定均能满足规范要求。

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