阮小洼水库大坝渗流与稳定分析

1 工程概况

阮小洼水库位于溧阳市上兴镇涧东村，属太湖流域湖西地区。该水库集水面积1.2km2，干流长度1.2km，干流坡降0.014，总库容33.94万m3，兴利库容13.39万m3，是一座以防洪、灌溉为主的小（2）型水库。

该水库1964年建造，人工挑筑而成，为均质黏性土坝。1层素填土（堤坝土）密实度差，均匀性差，渗透性不均匀，渗透性等级为中等透水，工程力学性质差；2层粉质黏土，强度低，均匀性较好，但渗透性较大，渗透性等级为中等透水，工程力学性质差；3层黏土，强度较高，均匀性较好，渗透性小，渗透性等级为极微透水，工程力学性质一般；4层黏土，该层强度较高，均匀性好，渗透性小，渗透性等级为极微透水，工程力学性质好。5层含黏土碎石，密实性好，渗透性小，渗透性等级为极微透水。大坝断面各土层的物理力学性质如表1。

2 土坝渗流计算分析

经统计分析，由渗流和坝坡失稳引起的破坏是土石坝发生事故的主要原因，因此，土石坝设计时应尽可能多的考虑渗流及坝坡失稳对坝体安全的影响，积极稳妥地解决好渗流控制和抗滑等问题，并采取有效的防渗、抗滑措施，保证大坝安全运行。

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本文将对阮小洼水库进行渗流计算及抗滑稳定计算，通过AutoBank软件确定大坝的出逸高度h0（m）、单宽渗流量q（m3/s·m）、逸出点水力坡降J及抗滑稳定安全系数k，最终通过这几个参数与规范允许值进行比较，来确定当前水库大坝的渗流及稳定状态是否满足大坝安全运行的条件。

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2.1 理论模型与边界条件

考虑水和土的压缩性，符合达西定律的二向非均质各向异性土体渗流，其基本方程为：

当式（1）为土坝非稳定渗流基本方程，水和土不可压缩时，采用式（2）：

式中 W为土条重量；N为土条底部的有效反力；T为土条底部剪切力；θ为土条底线与水平方向的夹角。

式中 h0为边界水头；z为浸润线上各点的几何纵坐标值；n为边界的外法线方向。

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2.2 计算模型

AutoBank是由河海大学研制的一款有限元软件，专业特点强。针对土石坝、堤防等水工建筑物，该软件可进行渗流与稳定分析计算。软件在渗流、变形、稳定计算等方面进行综合，综合后的各计算步骤吻合度较高，极大方便了实际运用的水利工程［3］。

根据大坝断面高度结合渗水现象等因素选取剖面3-3’作为渗流复核计算典型断面。大坝基本结构断面如图1。

2.3 计算工况

布氏杆菌病合并重症Guillain-Barré综合征1例报告 ………………………… 吴迎春，冯丽娜，王哲，等 45

根据SL189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》，渗流计算水位组合情况如表2。

2.4 计算成果分析

各工况下坝体总水力坡降分布如图2～图5。

（1）稳定渗流期坝体计算结果。库水位为29.7m（正常蓄水位）、31.45m（设计水位）、31.15m（校核洪水位）时的坝体稳定渗流，坝体允许渗透比降［J］均大于逸出点水力坡降值，浸润线下游逸出点位于下游平台下，因此3种工况下的大坝渗流性态均满足规范要求。

（2）非稳定渗流期坝体计算结果。库水位由设计水位31.45m降至正常蓄水位29.7m高程，水位降落方式为骤降，大坝的出逸高度为0.417m，坝体允许渗透比降［J］大于逸出点水力坡降值，浸润线下游逸出点位于下游平台下，因此在降落期工况下的大坝渗流性态满足规范要求。

本次坝体结构抗滑稳定分析选取大坝3-3’作为典型断面，采用简化毕肖普圆弧滑动法进行计算。简化毕肖普法的原理是，假定坝坡滑动面为圆弧，同时假定各土条底部滑裂面上的抗滑安全系数均相同，都等于整个滑裂面上的平均安全系数［5］。

3 坝坡稳定分析

3.1 稳定计算原理

由上述分析可知，阮小洼水库在各个工况下大坝渗流满足规范要求，不存在发生渗透破坏的可能［4］。在同一断面及下游水位相同的情况下，出逸高度、单宽渗流量、逸出点水力坡降值的大小，主要取决于上游水位的高度，上游水位越高，各个参数的值越大，大坝的渗流性态越不安全。

由图6可知，从圆弧滑动体内取出土条进行分析。作用在条块上的力，除重力Wi以外，还有滑动面上的法向力Ni、切向力Ti和法向力Pi、Pi+1和切向力Hi、Hi+1。如条块处于静力平衡状态，根据竖向力平衡条件，应有：

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当式（2）为土坝稳定渗流基本方程［1-2］。

根据满足安全系数为时的极限平衡条件，

计算工况如表4。

整理后得：

考虑整个滑动土体的整体力矩平衡条件，认为各土条的作用对圆心力矩之和为零：

式中的ΔHi是未知的，为使问题得解，毕肖普又假定土条之间的切向力略去不计，即假设土条间作用力的合力是水平的，于是，式（9）可简化为：

3.2 计算工况

式中 Fs为坝坡安全系数。

3.3 计算成果分析

各工况下大坝断面稳定计算成果如图7～图12。

阮小洼水库大坝属于5级建筑物，由表5的稳定分析结果和SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》［6］中抗滑稳定安全系数的取值可知，大坝的迎水坡和背水坡在各工况下，安全系数均满足规范要求，因此坝坡稳定满足规范要求。

其中在背水坡的正常水位情况下，抗滑稳定系数值最大；在地震期情况下，抗滑稳定系数值最小。而在迎水坡的降落期，抗滑稳定系数值最大；在地震期情况下，抗滑稳定系数值最小。由此可见，抗滑稳定系数值的大小，不仅取决于上下游水位差，还于是否处在地震期有关。因此，在同一断面下，上下游水位差越大，抗滑稳定系数值越大；水位差越小，则反之。在同一断面和同一水位情况下，非地震工况相对安全。

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4 结语

（1）本文采用渗流计算软件对阮小洼水库大坝在不同工况下的渗流及稳定进行了计算和分析。渗流计算结果表明，大坝在各种工况下计算出的渗透坡降均小于允许渗透坡降，说明坝体下游满足渗流稳定要求，其中影响渗流的因素主要有上游水位的高度和渗透系数。

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（2）该水库坝体填土的渗透系数为2.62E-04，属中～弱透水性土，渗透系数属正常范围，大坝水量损失不大。稳定分析结果表明，阮小洼水库在各种工况下计算得到的抗滑稳定系数值均大于允许安全系数，坝坡稳定能满足规范的要求。

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参考文献：

［1］毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.北京 ：中国水利水电出版社，2003.

［2］杜守来.Auto Bank软件在土坝渗流稳定计算中的应用［J］.现代农业科技，2012（06）：252-253.

［3］河海大学工程力学研究所.水工结构有限元分析系统Autobank操作说明书［K］.南京：河海大学工程力学研究所，2015.

［4］居锋.实例分析 Autobank 在小型水库土石坝渗流稳定计算中的运用［J］.水利科技与经济，2015（ 11）：115－118.

［5］邬志香，马永法.月塘水库大坝抗滑稳定性态分析研究［J］.江苏水利，2013（07）：37－42.

［6］SL274—2001，碾压式土石坝设计规范［S］.