浅谈土石坝坝体分区对渗流稳定的影响

浅谈土石坝坝体分区对渗流稳定的影响

王杨

（德宏州水利电力勘察设计院 云南 德宏芒市 678400 ）

【摘 要】 大坝下游增加水平反滤层排水，浸润线随着水平反滤层厚度增加下降明显，帮养水库工程Ⅰ区风化料朵牛土料场（强风化）土料渗透系数1×10^－3cm/s较Ⅱ区风化料大，考虑坝体下游坝壳料增加Ⅰ区风化料，相当于增加水平排水层厚度，浸润线在坝体内继续下降，至较理想的浸润线状态；帮养水库大坝下游坝体内分2个区，抗剪强度、渗透系数等性能较好的Ⅰ区风化料设在下部湿润区，运距较近的Ⅱ区风化料设在浸润线以上干燥区，下游坡各工况渗流稳定满足规范要求；

死水位以上水位波动区采用渗透系数较大的Ⅰ区风化料有利于浸润线下降增大孔隙水压力消散速度；死水位以下布设抗剪强度较大的Ⅰ区风化料风化料对安全有利；但Ⅰ区风化料运距远，考虑投资因素，比较得出死水位以下布置抗剪强度较大的Ⅰ区风化料安全系数更高，更具性价比。上游坝壳料横向分区较合理。分区以水位波动高程死水位分区较合理。所以帮养水库大坝上游坝坡死水位以上采用Ⅱ区风化料，搭配水平排水层增大孔隙水压力消散速度，死水位以下采用Ⅰ区风化料并利用枢纽开挖产生的同Ⅰ区风化料料性相近的强风化料。

【关键词】 坝体分区 渗流稳定 帮养水库大坝

一、工程概况

帮养水库工程位于德宏州瑞丽市户育乡帮养村境内，地处瑞丽江二级支流，喊撒大沟一级支流的南约河上游，水库是一座以“工业用水和农田灌溉”为供水任务的小（1）型水利工程，水库总库容503.4万m³，年总供水量643.9万m³，主要是解决瑞丽市进出口加工制造基地（工业园区）部分工业用水及帮养村户育乡灌区3200亩耕地的灌溉用水，工程兴建后将对该区的社会经济发展起着重要的促进作用。工程由枢纽工程和输水工程组成，水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水导流隧洞组成。

大坝为土质防渗体分区坝（粘土心墙坝），坝高67.00m，坝顶宽度取6m，坝顶长275m。坝体分区从上游至下游分别为上游预制块护坡→上游水位波动区（采用Ⅱ区风化料分层碾压，3层Ⅰ区风化料作为排水层）→上游死水位以下坝体（Ⅰ区风化料配合枢纽开挖料填筑）→上游反滤（混合砂）→粘土心墙→下游反滤（粗砂）→下游反滤（碎石）→下游风化料（Ⅱ区）→下游风化料（Ⅰ区）→下游草皮护坡及排水棱体。方案采用粘土心墙防渗，来自广引防渗料场，运距约22 km。坝壳料采用风化砂砾料，Ⅰ区风化料来自朵牛土料场（强风化），运距约30 km。Ⅱ区风化料来自汉族寨土料场（全风化），运距约4 km。上游利用大坝开挖料夯实设为坝前反压平台，对坝基进行帷幕及固结灌浆处理。

二、坝体分区设计

受瑞丽市水利局委托，工程可行性研究阶段由德宏州水利电力勘察设计院负责完成，2019年6月德宏院完成工程可行性研究报告（送审稿），目前工程可研阶段水工部分已通过专家评审。

1、下游坝体分区设计：工程Ⅰ区风化料来自朵牛土料场（强风化），运距约30 km。Ⅱ区风化料来自汉族寨土料场（全风化），运距约4 km。按投资最小控制，下游坝壳料全部选择运距近的汉族寨土料场（全风化）土料进行渗流稳定设计，由于Ⅱ区风化料渗透系数较小5×10^－5cm/s，坝体下游浸润线降不下来，考虑增加心墙后竖直反滤层（共3m），增加后对浸润线下降有一定影响，但不明显，继续增加水平反滤层（共2m），浸润线随着水平反滤层厚度增加下降明显，但增加水平反滤层厚度不经济，Ⅰ区风化料朵牛土料场（强风化）土料渗透系数1×10^－3cm/s较Ⅱ区风化料大，考虑坝体下游坝壳料增加Ⅰ区风化料，相当于增加水平排水层厚度，浸润线在坝体内继续下降，至较理想的浸润线状态。如下图：

图2-1校核水位流网图

下游坝体内分2个区，抗剪强度、渗透系数等性能较好的Ⅰ区风化料设在下部湿润区，运距较近的Ⅱ区风化料设在浸润线以上干燥区，下游坡各工况渗流稳定满足规范要求；

2. 上游坝体分区设计：上游坝壳料全部选择运距近的汉族寨土料场（全风化）土料进行渗流稳定设计，由于Ⅱ区风化料渗透系数较小，仅为5×10^－5cm/s，在非常运用Ⅱ库水位经常性的正常降落条件下，不利于浸润线下降，对上游坝坡稳定不利。考虑死水位以上水位波动区采用渗透系数较大的Ⅰ区风化料有利于浸润线下降增大孔隙水压力消散速度；由稳定计算简图可以看出临界滑面大部分经过死水位以下分区，下部应布设为抗剪强度较大的Ⅰ区风化料风化料。可见上游坝体全部布设为渗透系数和抗剪强度较大的Ⅰ区风化料对安全最为有利，但Ⅰ区风化料运距远，考虑投资因素，比较选择Ⅰ区风化料如何布置更合理，由图2-2和图2-3稳定简图比较得出死水位以下布置抗剪强度较大的Ⅰ区风化料安全系数应更高，更具性价比。所以帮养水库大坝上游坝坡死水位以上采用Ⅱ区风化料，搭配水平排水层增大孔隙水压力消散速度，死水位以下采用Ⅱ区风化料并利用枢纽开挖产生的料性相近的强风化料。

图2-2稳定简图 死水位以上采用渗透系数较大的Ⅰ区风化料，以下为Ⅱ区风化料安全系数0.947。

图2-3稳定简图 死水位以上采用渗透系数较小的Ⅱ区风化料，以下为抗剪强度较大Ⅰ区风化料安全系数1.188。

三、结语

1、大坝下游增加水平反滤层（共2m）排水，浸润线随着水平反滤层厚度增加下降明显，Ⅰ区风化料朵牛土料场（强风化）土料渗透系数1×10^－3cm/s较Ⅱ区风化料大，考虑坝体下游坝壳料增加Ⅰ区风化料，相当于增加水平排水层厚度，浸润线在坝体内继续下降，至较理想的浸润线状态；

2、死水位以上水位波动区采用渗透系数较大的Ⅰ区风化料有利于浸润线下降增大孔隙水压力消散速度；死水位以下布设抗剪强度较大的Ⅰ区风化料风化料对安全有利；但Ⅰ区风化料运距远，考虑投资因素，比较得出死水位以下布置抗剪强度较大的Ⅰ区风化料安全系数更高，更具性价比。上游坝壳料横向分区较合理。分区以水位波动高程死水位分区较合理。所以帮养水库大坝上游坝坡死水位以上采用Ⅱ区风化料，搭配水平排水层增大孔隙水压力消散速度，死水位以下采用Ⅰ区风化料并利用枢纽开挖产生的料性相近的强风化料。

参考文献

[1]《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）

[2]《云南省瑞丽市帮养水库工程可行性研究报告》德宏州水利电力勘察设计院，2019年6月。

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