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水库大坝稳定分析论文
长生沟水库大坝渗流及稳定分析
专业：
水利水电建筑工程
班级：
09级水电建筑施工
（1）班
学号：
0911010127
姓名：
李甲兵
摘要：
土石坝渗流与稳定分析是土石坝设计中的关键环节，据大坝与水库失事事故统计，有1/4失事是由渗流问题引起的。
稳定分析是确定大坝设计剖面和评价坝体安全的主要依据。
对长生沟水库进行渗流及稳定分析，为解决水库大坝渗漏和稳定等问题提供参考依据。
关键词：
长生沟水库；大坝概况；渗流分析；稳定分析
1工程概况
长生沟水库位于长江水系綦江支流，该水库坝址位于綦江区永新镇，是一座以灌溉为主、兼防洪、水产养殖、饮水的小
（二）型水利工程。
水库大坝距綦江区约23.2km，水库大坝不通公路，对外交通不方便。
坝址以上集雨面积1.10km²，库区内主河槽长1.12km，河槽平均坡降为76‰。
长生沟水库除险加固后，最大坝高18.40m，总库容53.63万m3。
水库设计灌溉面积2650亩，有效灌溉面积2513亩。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）之规定，本工程属Ⅴ等小
（2）型水利工程，该坝设计洪水重现期为20年一遇，相应洪峰流量22.5m3/s，相应下泄流量7.08m3/s；校核洪水重现期为200年一遇，相应洪峰流量34.10m3/s，相应下泄流量11.00m3/s。
长生沟水库于1971年8月动工兴建，1974年12月竣工。
施工单位为永新镇三会公社，指挥长为代庆明，技术负责人为刘天朝，总投资40.5万元，投工8.40万工日。
长生沟水库大坝安全评价为不安全的三类坝，属病险水库大坝，需采取除险加固措施，确保下游国家和人民生命财产安全。
重庆市水利电力建筑勘测设计研究院受重庆南州水务集团有限公司的委托于2012年02月开始进行本工程枢纽除险加固初步设计工作。
设计人员会同业主单位领导、有关人员到现场查勘、了解、收集有关资料，依据现行规程规范的有关规定，于2012年03月编制完成了本设计报告。
2工程地质
工程区位于盆东平行岭谷区（Ⅰ）及盆南山地与丘陵区（Ⅰ）的东南接合部。
区域地貌类型属于中低山地貌，区内山脉大体呈南北向延伸，与地质构造线基本一致。
本区主要出露中生界白垩系、侏罗系、三迭系及古生界二迭系、志留系、奥陶系、寒武系地层。
其岩性为碎屑岩与碳酸岩相同间分布。
工程区内出露白垩系上统夹关组（K2j）地层。
第四系地层除河流发育有少量冲洪积（Q4pal）堆积层外，两岸发育有少量崩坡积（Q4col+dl）、残坡积（Q4edl）堆积层。
工程区位于华蓥山穷褶束——南温泉背斜南西翼，主要发育南北向构造，岩层产状平缓。
坝区构造简单，为一单斜构造，岩层走向北38°～40°东，倾向西北，倾角5°～6°，坝轴方向左岸至右岸108°，岩层倾向左岸偏下游。
工作区属相对稳定的弱震环境。
据《中国地震烈度区划图》（1990），工程区地震基本烈度为VI度。
根据《中国地震动参数区划图》（1:
400万）（GB18306-2001），场区地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35s。
抗震设防烈度为6度，设计基地震加速度值为0.05g。
库区处于构造剥蚀中深切割台状中低山区，出露白垩系上统夹关组（K2j）地层，岩性为砖红色块砂质泥岩、长石英砂岩层；第四系覆盖层零星分布于河床及谷坡两岸，分布范围小，厚度一般不超过5m；库区为一单斜地层，地质构造简单，无断层发育，仅见两组构造裂隙；库区水文地质条件简单，地下水主要有基岩裂隙水及第四系堆积层孔隙潜水两类。
库区工程地质条件受岩性的控制，泥岩为良好的隔水层、砂岩具有一定的透水性。
无邻谷渗漏和通向库外的承压含水层，地下分水岭较厚。
出露的泥岩层被浸蚀和剥蚀，加之表层为耕作土层，在坡面径流洪水冲淘下，水土有流失现象，对水库将会产生一定的淤积。
库岸无大规模基岩滑坡与泥石流存在。
第四系松散堆积物分布零散，范围小且厚度薄，库区内主要物理地质现象是岩体风化及少量塌岸。
岩土质岸坡蓄水后小范围岸坡再造的可能性是存在的，但不会危及水库的安全运行，库岸稳定性较好。
综上所述库区工程地质、水文地质条件较好，从水库建成运行至今未发现大的工程地质、水文地质问题，为一良好的蓄水谷地。
3大坝渗流计算
渗流计算的目的是复核当前的渗流状态能否保证大坝按设计条件安全运行，主要包括以下内容：
复核工程与渗流有关的设计施工情况是否满足现行规范要求；检查工程运行中发生过的渗流异常现象，判断是否影响工程安全，预测高水位运行时的渗流安全性，如有问题，分析其原因和可能产生的危害；通过理论计算，确定大坝浸润线位置及大坝渗漏量，与现场检查情况进行比较分析。
由于水库无渗流观测设施，渗流安全评价根据本次地质资料并结合现场检查综合分析、评价。
3.1与渗流有关的设计施工情况
3.1.1坝体
大坝填筑体物理力学参数建议值，根据临近永新镇柏杨湾水库土坝试验值，考虑坝体填筑料的不均匀性，综合类似工程经验，提出建议值。
大坝填筑体物理力学参数建议值，考虑坝体填筑料的不均匀性，参照邻近柏杨弯水库综实验资料，提出大坝填筑体物理力学参数建议值见表3-1。
大坝填筑体计算参数的建议值
表3-1
湿容重
γ
（kN/m3）
饱和
容重
γm
（kN/m3）
渗透
系数
K
cm/s
天然固结快剪
饱和固结快剪
C
（kPa）
φ
（度）
C
（kPa）
φ
（度）
19.4
19.7
8.7×10-5
20.8
13.4
13.2
10.5
坝体填土为粉质粘土，孔隙比建议值0.600。
参照邻近柏杨弯水库综实验资料，提出大坝土、石料物理力学参数建议值见表3-2。
大坝土、石料物理力学指标表
表3-2
土类
重度（KN/m3）
天然固结快剪强度
饱和固结快剪强度
湿容重
饱和容重
C（kpa）
Φ（度）
C（kpa）
Φ（度）
坝体土
19.4
19.7
20.8
13.4
13.2
10.5
浆砌挡墙
23.4
24
500
31
450
30
堆石排水棱体
18
19
0
40
0
38
坝基岩体
25.5
25.8
1248
36
1130
34
3.1.2坝基
由于缺少施工资料，本次分析根据地质报告结合走访施工人员。
据介绍，施工过程中，对坝基主河槽段进行了清基处理，但左右岸坝肩清理不彻底。
根据地质报告，坝基（肩）岩性主要由砂质泥岩、砾岩组成，其中砾岩层渗透系数为8.7×10-5，属弱透水性。
3.2大坝运行中出现的渗透异常现象
大坝主体座落在K2j地层之上，坝基岩性以砖红色砂质泥岩为主，夹杂长石英砂岩。
左右坝肩岩性以泥岩为主。
岩体稳定，工程地质条件良好。
根据土工试验结果判断大坝坝体不存在渗漏。
大坝清基不彻底，造成坝肩、坝体和坝基接触带渗漏，现场检查为外坡坝脚散浸。
3.3渗流计算分析
渗流计算内容为：
（1）通过理论计算，确定坝体浸润线位置，为大坝坝坡稳定分析提供条件；
（2）计算出坝体及坝基的渗流量；（3）根据浸润线计算结果，计算出水平渗透坡降。
3.3.1计算理论依据
选取主河槽段大坝桩号0+100断面进行计算。
计算工况分两种：
（1）正常蓄水位958.00m，下游无水；
（2）校核洪水位959.817m，下游无水。
大坝为均质土坝，根据地质报告，坝基为砂质泥岩，微透水，依据《水工设计手册3》，近似按不透水地基上有棱体排水的均质土坝进行计算。
3.3.2渗流计算原理与方法
渗流计算采用北京理正岩土渗流分析计算软件5.6PB1版进行计算,该计算程序可用于各种防渗排水措施土石坝的二维稳定和非稳定渗流计算，可直接得出渗流水头分布和渗流量，并自动绘出浸润线和等水头线。
3.3.3渗流计算工况及参数
根据《碾压式土石坝设计导则》（SL274-2001）的规定，结合长生沟水库的实际情况，渗流分析包括以下五种工况：
校核洪水位为959.817m，设计洪水位为959.365m，正常水位为958.000m。
工况一：
上游校核洪水位+下游相应的最低水位。
工况二：
上游设计洪水位+下游相应的最低水位。
工况三：
上游正常水位+下游相应的最低水位。
工况四：
上游校核洪水位至死水位+下游相应的最低水位。
工况五：
上游死水位+下游相应的最低水位。
长生沟水库大坝为土石坝，根据地勘专业提供的资料及工程经验类比，该水库大坝渗流分析采用的渗透系数见表3-3。
大坝渗透系数表
表3-3单位：
cm/s
部位
坝体粘土
干砌堆石（棱体）
渗透系数
8.7×10-5
1.0×10-2
3.3.4渗流计算成果
渗流计算成果如图3-4～3-8和表3-4。
大坝现状渗流计算成果表
表3-4
工况
单宽渗漏量（m3/d/m）
出逸点高程（m）
出逸点坡降
允许渗透坡降
工况一
0.285
942.0
0.19
0.53
工况二
0.259
941.8
0.18
0.53
工况三
0.233
941.9
0.16
0.53.
工况四
/
上游959.817
下游941.77
0.12
0.53
工况五
0.002
941.8
0.001
0.53
图3-5上游校核洪水位时稳定渗流时的位势分布
图3-5上游设计洪水位时稳定渗流时的位势分布
图3-6上游正常水位时稳定渗流时的位势分布
图3-7上游校核洪水位骤降至死水位时稳定渗流时的位势分布
图3-8上游死水位时稳定渗流时的位势分布
3.4计算成果分析
根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-99推荐的判别公式对坝体土的渗透变形形式进行判别：
＝40
其中PC—土的细粒颗粒含量，以质量百分率计（%）；
n—土的孔隙率；
可知本工程坝体发生流土破坏，其允许渗透坡降计算公式如下：
式中：
—土粒比重，；
n—土的孔隙率；
KB—流土安全系数，此处采用2。
土粒密度及孔隙率通过类似工程类比得知，大坝允许渗透坡降[J]=0.53。
经计算，长生沟水库大坝最大渗透坡降J=0.19，小于大坝允许渗透坡降[J]=0.53，不存在发生渗透破坏的可能。
综上所述，根据《水库大坝安全评价导则》SL258-2000的要求，将该水库大坝的渗流安全性级别定为B级。
4.1.大坝结构稳定分析
（1）稳定计算方法及原理
采用北京理正稳定分析软件5.6PB1版，该程序可用于各种防渗排水措施土石坝、边坡的稳定计算，可直接读入同样是该软件计算的渗流计算结果。
该程序使用了对不同土层交界面编号和控制圆弧数目的有效方法，在大范围内对多种土质组成的任何边坡形状进行搜索，计算确定堤坝边坡及其它土坡圆柱形破坏面的稳定安全系数。
瑞典圆弧法确定安全系数的计算公式为：
式中：
θi——i号土条底部中点切线的倾角
wi——i号土条重量，wi=vhibi
cs——地震系数
αi——i号土条的力臂
R——圆弧半径
（2）稳定计算工况
根据《水库大坝安全评价导则》第5.2.2.1条之规定，大坝稳定计算工况应为水库运用期可能遇到的工作条件，即：
a、水库水位为正常水位958.00m的下游坝坡稳定——正常工况；
b、水库水位为设计洪水位959.365m的下游坝坡稳定——正常工况；
c、水库水位为校核洪水位959.817m的下游坝坡稳定——非常工况；
d、水库水位为正常水位958.00m的上游坝坡稳定——正常工况；
e、水库水位为设计洪水位959.365m的上游坝坡稳定——正常工况；
f、水库水位为校核洪水位959.817m时的上游坝坡稳定——非常工况；
g、水库水位为死水位943.00m时的上游坝坡稳定——正常工况；
h、水库水位从校核洪水位958.817m降至死水位943.00m的上游坝坡稳定——非常工况。
（3）稳定计算的参数
1）特征水位
正常水位：
958.000m
设计洪水位：
959.365m
校核洪水位：
959.817m
死水位：
943.000m
2）坝体材料
根据地勘专业提供的资料及工程经验类比，长生沟水库坝体及坝基材料的物理力学性质计算值见表4-1。
大坝土、石料物理力学指标表
表4-1
土类
重度（KN/m3）
天然固结快剪强度
饱和固结快剪强度
湿容重
饱和容重
C（kpa）
Φ（度）
C（kpa）
Φ（度）
坝体土
19.4
19.7
20.8
13.4
13.2
10.5
浆砌挡墙
23.4
24
500
31
450
30
堆石排水棱体
18
19
0
40
0
38
坝基岩体
25.5
25.8
1248
36
1130
34
（4）稳定计算成果与分析
稳定计算结果见表4-2，图4-3～4-10。
坝坡抗滑安全系数计算成果表
表4-2
水库水位工况
上游坡
下游坡
规范允许安全系数
校核洪水位
1.186
1.012
1.05
设计洪水位
1.178
1.021
1.15
正常水位
1.162
1.036
1.15
死水位（施工期）
1.277
/
1.15
校核洪水位降至死水位
1.063
/
1.05
图4-3正常水位上游坝坡稳定计算成果
图4-4正常水位下游坝坡稳定计算成果
图4-5设计洪水位上游坝坡稳定计算成果
图4-6设计洪水位下游坝坡稳定计算成果
图4-7校核洪水位上游坝坡稳定计算成果
图4-8校核洪水位下游坝坡稳定计算成果
图4-9校核洪水位降至死水位上游坝坡稳定计算成果
图4-10死水位上游坝坡稳定计算成果
4.2.大坝上游坡坡脚挡墙稳定计算
计算公式：
KC——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；
f——边墙与接触面的抗剪摩擦系数；
∑W——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；
∑P——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。
采用理正挡墙计算程序，计算最不利断面处边墙抗滑稳定安全系数KC大于1.15（正常运用情况）和1.05（非正常运用情况），满足规范要求。
4.3结论
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）之规定，对于5级建筑物（土石坝）非常运用条件的抗滑稳定安全系数应达到1.05，正常运用条件的抗滑稳定安全系数应达到1.15。
由以上计算结果可知，大坝上游工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求，下游坝坡各工况抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。
因此，大坝的下游坝坡处于不稳定状态，有失稳可能。
4.4结构安全综合评价结论
经计算，大坝上游工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求，下游坝坡各工况抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。
因此，大坝下游坝坡处于不稳定状态，有失稳可能。
溢洪道边墙稳定满足规范要求。
参照《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）规定，大坝的结构安全性定为C级。
参考文献：
[1]陈祖煜.土质边坡稳定分析—原理·方法·程序[M].北京：
中国水利水电出版社,2003.
[2]北京理正岩土渗流分析计算软件5.6PB1版进行计算
[3]华东水利学院.水工设计手册[M].北京：
水利电力出版社,1984.
[4]重庆水利勘测有限公司.綦江区长生沟水库除险加固工程初步设计阶段工程地质勘察报告[R].2012
[5]重庆市水利电力建筑勘测设计院.重庆市綦江区长生沟水库大坝安全评价报告[R].2012
[6]SL274-2001,碾压式土石坝设计规范[S].中华人民共和国水利部.
收稿日期：
2012-05-15
作者简介：
李甲兵（1989-），男，重庆梁平，设计员，主要从事水利工程规划设计工作。
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