基于AutoBank的土石坝渗流安全分析研究

王 倩

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

1 工程概况

某水库坝址以上控制流域面积160 km2，总库容1 312×104m3，是一座以防洪、灌溉、发电、养鱼为目的综合利用的中型水库。工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。水库防洪标准为100年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核。拦河坝为均质土坝，坝顶全长295 m，坝顶宽5.4 m，坝顶高程75.5 m，最大坝高25.5 m。基础覆盖层最大深度10.5 m，采用截水槽防渗，截水槽底宽4 m，挖深6.5～7.5 m。在1969年汛期施工过程中，由于人力和抽水设备不足，靠右岸75 m以及左岸25～50 m坝段最大差3.5 m未清到基岩，形成开窗式防渗，为此在坝前增设黏土铺盖，平均厚度1.5 m，长100～150 m。下游坝脚设高褥垫大棱体排水，排水体以反滤层与坝体相接，并深入地基以下2 m。拦河坝标准断面图见图1。

图1 拦河坝标准断面图

2 渗流观测资料分析

2.1 渗流观测布置情况

渗流监测项目包含坝体渗流监测、坝基渗流监测和坝基渗流量监测，监测设施为测压管和量水堰。坝体渗流监测断面3个，每个断面3个测点，共计9个测点，编号T1-T9，断面桩号0+060、0+120、0+172，监测点分别位于断面上游坝坡、坝顶及下游坝坡处；坝基渗流监测断面3个，每个断面3个测点，共计9个测点，编号J1-J9，断面桩号0+060、0+120、0+228，监测点分别位于上游坝基、下游坝基及下游坝脚处。

2.2 渗流监测资料对比

由于多年来资料的转移、管理人员的变动、整编不及时等原因，加上部分测压管变形、损坏，本文选择2018年8月10日测压管的实测值与坝体理论计算浸润线进行对比(库水位68.5 m)。大坝为均质土坝，下游坝脚设棱体排水，根据地质勘察成果，渗透稳定计算采用的大坝各部位渗透系数见表1。

坝体测压管水位实测成果见表2。

表1 大坝各部位渗透系数

表2 坝体测压管水位实测成果表

坝体渗流观测断面共3个，桩号分别为0+060、0+120及0+172，其中桩号0+120断面观测数据明显异常，故仅对其余两个断面的观测数据进行分析。根据测压管实测水位绘制的坝体浸润线与理论计算浸润线对比见图2。

图2 实测浸润线与计算浸润线对比图

由图2可以看出，实测浸润线符合均质土坝的渗流规律，且略低于计算浸润线。

3 渗流计算

3.1 计算工况

3.1.1 稳定渗流期

1) 上游正常蓄水位72.90 m，下游无水。

2) 上游设计洪水位72.87 m，下游无水。

3) 上游水位59.50 m(坝高1/3处)，下游水位无水。

3.1.2 非稳定渗流期

1) 上游水位由正常蓄水72.90 m降至死水位66.00 m以上的任意水位。

2) 上游水位由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90 m。

3.2 计算方法

大坝渗流计算采用河海大学水工结构有限元分析系统(AutoBankv7.0)[1]进行计算。

3.3 稳定渗流计算结果

稳定渗流期各种工况坝体浸润线计算成果见图3-图5。

3.4 非稳定渗流计算结果

库水位降落速率的判定：根据调洪计算，库水位由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90的时间为2.56 h，由正常蓄水位72.90 m降至死水位66.00 m的时间按灌溉用水情况考虑，经计算为196.4 h。根据经验公式，K/(μ·v)<0.1，库水位为骤降；K/(μ·v)>60，库水位为极缓慢降落；K/(μ·v)<60，库水位为缓降。其中，K为坝体渗透系数(m/s)；μ为给水度；v为水位降落速度(m/s)。库水位降落计算成果见表3。

图3 正常蓄水位情况坝体浸润线

图4 设计洪水位情况坝体浸润线

图5 1/3坝高水位情况坝体浸润线

表3 库水位降落计算成果表

经计算，库水位由正常蓄水位72.90 m降至死水位66.00 m和由校核洪水位75.10 m降至正常蓄水位72.90 m均为缓降，需计算各时段浸润线位置。非稳定渗流期各种工况坝体浸润线计算成果见图6-图7。

图6 正常蓄水位降至死水位坝体浸润线

图7 校核洪水位降至正常蓄水位坝体浸润线

4 大坝渗透稳定复核

4.1 坝基渗流计算

大坝坝基坐落在砾石层上，设有壤土截渗槽，其渗流采用AutoBank进行计算，计算结果见图8-图13和表4。

图8 正常蓄水位时水压等值线图

图9 设计洪水位时水压等值线图

图10 校核洪水位时水压等值线图

图11 正常蓄水位时截渗槽下游及下游坝脚渗透比降图

图12 校核洪水位时截渗槽下游及下游坝脚渗透比降图

图13 设计洪水位时截渗槽下游及下游坝脚渗透比降图

表4 坝基渗流坡降计算成果表

根据《碾压土石坝设计规范》(SL 274-2001)[2]，截渗槽与基岩接触面允许比降壤土[J]水平=3～5；根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)[3]无黏性土允许水力比降[J]水平=0.25～0.4。由表4的计算结果可知，各种工况下坝基截渗槽渗流比降以及坝基砾石层的渗流比降分别小于壤土和砾石层的允许渗流比降，坝基截渗槽和坝脚渗透稳定满足要求。

4.2 坝体渗透稳定计算

根据图8-图13，各计算工况下浸润线均在下游堆石排水棱体内出逸，坝体土和排水棱体间设有反滤层，因此坝体渗透稳定满足要求。根据大坝渗流观测资料分析和渗透稳定计算结果，依据《水库大坝安全评价导则》(SL 258-2017)[4]，认为大坝渗流性态安全。

5 结 论

本文根据地质勘察成果及实测渗流资料，通过采用AutoBank软件进行土石坝渗流计算。在工程实际应用中，得到不同工况下浸润线、浸润线的出逸位置、水压等值线图、渗流坡降等，为土石坝渗流安全性评价提供了可靠的基础及支持。