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肖克爾水庫大壩滲流安全評價

文檔作者：徐繼紅文檔來源：新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月23日
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２０１５ 年第２ 期
２０１５ Ｎｕｍｂｅｒ ２
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
總第１２８ 期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２８
ＤＯＩ： １０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１５．０２．０２２
收稿日期：２０１４ －１１ －０６ 作者簡介：徐繼紅，女，技術(shù)員，主要從事水利工程建設(shè)管理工作。
肖克爾水庫大壩滲流安全評價
徐繼紅
（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆庫爾勒?。福矗保埃埃埃?
摘要：根據(jù)肖克爾水庫的實(shí)際情況，通過滲流有限元計算分析，全面評價了水庫大壩的滲流狀況。結(jié)果表明：大壩壩基
由低液限粉土、粉土質(zhì)砂組成，壩基滲透較嚴(yán)重；壩基清除不徹底，壩體與壩基間接觸滲漏；在水庫正常蓄水位時，０ ＋１００
壩段、０ ＋６００ 壩段下游壩坡出逸段及下游壩基水力坡降大于允許坡降，壩體壩基有發(fā)生滲透破壞的可能。大壩滲流安
全評價為Ｃ 級，建議采取相應(yīng)加固處理措施，并完善滲流監(jiān)測設(shè)施。
關(guān)鍵詞：滲流；安全評價；有限元法；肖克爾水庫
中圖分類號：ＴＶ２２３．４　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ　　　文章編號：１６７１ －３３５４（２０１５）０２ －００７０ －０３
Seepage Safety Evaluation of Xiao’Ke’er Dam
ＸＵ Ｊｉｈｏｎｇ
（Ｘｉ’ｎｉ’ｅｒ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｔａｒｉｍ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ， Ｋｏｒｌａ ８４１０００， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ Ｘｉａｏｋｅｅｒ Ｄａｍ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ｓｅｅｐａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｒａｔｈｅｒ ｓｅｒｉｏｕｓ， ａｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ
ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｏｆ ｌｏｗ ｌｉｑｕｉｄ ｌｉｍｉｔ ｓｉｌｔ ａｎｄ ｓｉｌｔｙ ｓａｎｄ．Ｌｅａｋａｇｅ ｍａｙ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｄｕｅ ｔｏ ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ ｃｌｅａｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｓ ｉｎ ｉｔｓ ｎｏｒｍａｌ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ， ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｉｔ ｇｒａｄｉｅｎｔｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｄａｍ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｎ ０ ＋１００ ａｎｄ ０ ＋６００ ｄａｍ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｓｓｉｖｅ
ｇｒａｄｉｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍａｙ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｔｈｅｓｅ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ．Ｏｖｅｒａｌｌ ｓｅｅｐａｇｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｉｓ ｄｅｆｉｎｅｄ
ａｓ ｌｅｖｅｌ Ｃ．Ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ａｎｄ ｓｅｅｐａｇｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．
Key words： ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ； ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ； Ｘｉａｏ’Ｋｅ’ｅｒ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ
　　肖克爾水庫位于新疆輪臺縣西南，是一座引水注
入式平原水庫，總庫容２４５ 萬ｍ３ ，主要調(diào)節(jié)肖克爾農(nóng)
場０．３ 萬ｈｍ２ 耕地的灌溉要求。
根據(jù)枟水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)枠
（ＳＬ２５２ －２０００），肖克爾水庫屬?。ǎ保┬退畮?，水庫主
要建筑物由均質(zhì)土壩、進(jìn)水閘、放水閘、引水渠與放水
渠組成。
水庫大壩為１９７８ 年修建的“三邊”工程，經(jīng)過３０
多年的運(yùn)行，大壩滲流存在很多問題：
壩體滲漏問題明顯。建庫時由于沒有進(jìn)行地質(zhì)勘
探，只根據(jù)地形的趨勢選擇壩址，壩基為低液限粘土、
粉土質(zhì)砂組成，滲透系數(shù)較大；壩體填筑時沒有嚴(yán)格的
質(zhì)量控制，壩體整體的密實(shí)度不夠，加之壩體填筑都是
在壩后推土筑壩，造成水庫的滲漏嚴(yán)重。
大壩沒有安裝必要的安全監(jiān)測設(shè)備，這對水庫的
安全管理十分不利，也給本次滲流穩(wěn)定計算帶來一些
困難。
綜上所述，本次滲流穩(wěn)定計算根據(jù)壩體土力學(xué)試
驗(yàn)結(jié)果和斷面測量資料以及所受水頭情況，對所選斷
面壩體滲流穩(wěn)定進(jìn)行定量分析計算，對局部壩體滲流
破壞現(xiàn)象進(jìn)行定性分析。
１　滲流計算
1．1　計算過程
１）計算方法。采用北京理正軟件設(shè)計研究院（理
７０
徐繼紅：肖克爾水庫大壩滲流安全評價２０１５ 年２ 月
正巖土計算程序）滲流分析計算程序，該程序用有限
元分析法求解滲流場的拉普拉斯方程：
Kx 抄２ H
抄X２ ＋Ky 抄２ H
抄Y２ （１）
式中：H ＝Y(jié) ＋P
γ為滲流場的水頭函數(shù)；P 為水壓力；
Kx 、Ky 分別為x、y 方向的滲透系數(shù)。
２）計算斷面的選擇。肖克爾水庫壩基地層巖性
上部主要為低液限粘土，下部為粉土質(zhì)砂層，屬中等透
水層。壩體施工質(zhì)量差，且未做防滲處理，造成部分壩
后坡滲水嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查情況可知，水庫在０ ＋
１００、０ ＋６００ 兩處斷面壩后均有較嚴(yán)重的滲水現(xiàn)象。
以上兩處壩段在水庫運(yùn)行過程中屬于危險部位，因此
選取這兩個斷面進(jìn)行滲流分析計算。
３）計算工況。根據(jù)大壩運(yùn)行情況，滲流計算工況
為：上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位，其中，上
游庫水位９５６．７ ｍ；下游水位９５４．３ ～９５４．８ ｍ。
４）計算參數(shù)選擇。計算采用壩體材料參數(shù)由室
內(nèi)試驗(yàn)確定，見表１。
表1　滲流計算物理力學(xué)指標(biāo)
樁號取土位置土層厚度／ｍ ρ／（ｇ· ｃｍ－３ ） ρｓａｔ ／（ｇ· ｃｍ－３） C ／ＫＰａ Φ／（°） K ／（ｃｍ· ｓ－１ ） 土名
０ ＋１００ 壩體３．８ １．７２ １．８８ ５．８ ２３ ２．３ ×１０－４ 低液限粉土壩基２ １．９ １．９６ １８ ２７ ２．７８ ×１０ －５ 低液限粘土 ＞５ １．８７ １．９５ ２．５ ３１ ２．７ ×１０－３ 粉土質(zhì)砂０ ＋６００ 壩體１．５ １．９２ １．９７ ２ ３２ ３．１ ×１０－２ 礫石混合土２ １．８９ １．９５ １８ ２６．５ ２．９ ×１０－５ 低液限粘土 壩基１．３ １．９ １．９６ １８ ２７ ２．７８ ×１０ －５ 低液限粘土 ＞５ １．８５ １．９５ ２．５ ３１ ２．７ ×１０－３ 粉土質(zhì)砂1．2　計算成果
１）壩體壩基滲流量計算。壩體壩基滲流量通過
單寬滲流量、大壩長度及水庫蓄水調(diào)度方案等因素確
定，計算結(jié)果見表２。
表2　壩體、壩基滲漏量計算
樁號
單寬滲流量
q ／（ｍ３ · ｄ－１ ）
壩體長度
／ｍ
日滲漏量
／ｍ３ 蓄水時間
／ｄ
滲漏量
／萬ｍ３
０ ＋１００ ０．１９ ４９０ ９３ １２０ １．１２ ０ ＋６００ ０．２３ ９１０ ２０９ １２０ ２．５１ 　　根據(jù)水庫實(shí)際蓄放水情況、不同地層巖性和壩高
分段計算水庫的滲漏量。由表２ 可知，水庫在每年的
蓄水期間（按４ 個月計），水庫總滲流量為Q ＝q平均· t
＝３．６３ 萬ｍ３ 。
２）大壩下游出逸比降的計算。壩坡出逸段和下
游壩基表面在正常蓄水位情況下的最大出逸比降可通
過計算確定。計算成果見表３。
表3　壩體壩基出逸比降計算成果
壩體樁號出逸比降J
０ ＋１００ 壩后出逸段０．３５
下游壩基０．４０
０ ＋６００ 壩后出逸段１．２０
下游壩基０．８３
２　滲透穩(wěn)定計算
2．1　土的滲透變形計算
根據(jù)壩體、壩基所揭露的土層，現(xiàn)以細(xì)顆粒含量
Pc 值分析判斷滲透變形類型是管涌型還是流土型，判
別式如下：
Ａ．流土：Pc≥ １
４（１ －n） ×１００％
Ｂ．管涌：Pc ＜ １
４（１ －n） ×１００％
式中：Pc 為土的細(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計；n 為
土的孔隙率。
７１
水電與新能源２０１５ 年第２ 期
１）壩體、壩基低液限粘土的滲透穩(wěn)定性。
Ａ．低液限粘土滲透變形形式的判別
低液限粘土不均勻系數(shù)Cu ＝d６０
d１０ ＝２０．１。按Pc 與
１
４（１ －n）的關(guān)系來確定滲透破壞類型。
其中，Pc 為土的細(xì)顆粒含量，以質(zhì)量百分率計，％；df ＝
d７０ d１０ ；d７０為小于該粒徑的含量占總土重７０％的顆
粒粒徑，ｍｍ，?。埃埃常?ｍｍ；d１０ 為小于該粒徑的含量占
總土重１０％的顆粒粒徑，ｍｍ，?。埃埃埃?３５１ ｍｍ；n 為土
的孔隙率，％，取４７．８％。
據(jù)顆粒分析結(jié)果，該土層屬連續(xù)級配土，df ＝
０．００９ １ ｍｍ，該土層Pc 值為３０．１％。經(jīng)計算，該土層
１
４（１ －n） ×１００％ ＝４７．５％，Pc ＜ １
４（１ －n） ×１００％，低
液限粘土的滲透破壞類型為管涌。
Ｂ．低液限粘土的臨界水力比降及允許水力比降
的確定
根據(jù)土樣實(shí)測物理指標(biāo)，計算壩基土臨界水力比
降Jｃｒ值如下：
Jｃｒ ＝２．２（Gs －１）（１ －n）２ d５
d２０ （２）
式中：Jｃｒ?yàn)榕R界水力比降；Gs 為土的顆粒密度與水的
密度之比，?。玻罚矗籲 為土的孔隙率，％，取４７．８％；d５
為占總土重的５％的土粒粒徑，ｍｍ，取０．００１ ８ ｍｍ；d２０
為占總土重的２０％的土粒粒徑，ｍｍ，取０．００４ ８ ｍｍ；
計算得Jｃｒ ＝０．３９。
按枟水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范枠（ＧＢ５０２８７ －
９９）附錄Ｍ 第Ｍ．０．４ 規(guī)定對無粘性土可采用下述公
式計算J允＝Jｃｒ ／m，m 為安全系數(shù)，取２．０。
通過上述公式計算得出壩基土J允＝０．２０。
２）壩基粉土質(zhì)砂滲透穩(wěn)定性。
Ａ．粉土質(zhì)砂滲透變形形式的判別
粉土質(zhì)砂不均勻系數(shù)Cu ＝d６０
d１０ ＝２．９。按Pc 與
１
４（１ －n）的關(guān)系來確定滲透破壞類型。
其中，Pc 為土的細(xì)顆粒含量，以質(zhì)量百分率計，％；df ＝
d７０ d１０ ；d７０為小于該粒徑的含量占總土重７０％的顆
粒粒徑，ｍｍ，取０．１７ ｍｍ；d１０ 為小于該粒徑的含量占總
土重１０％的顆粒粒徑，ｍｍ，?。埃埃?ｍｍ；n 為土的孔隙
率，％，取４３．０％。
據(jù)顆粒分析結(jié)果，該土層屬連續(xù)級配的土，df ＝
０．０９２ ｍｍ，該土層平均Pc 值為４２．０％。經(jīng)計算，該土
層１
４（１ －n） ×１００％ ＝４４．０％，Pc ＜ １
４（１ －n） ×１００％，
滲透破壞類型為管涌。
Ｂ．含細(xì)粒土砂的臨界水力比降及允許水力比降
的確定
根據(jù)土樣實(shí)測物理指標(biāo)，計算壩基土臨界水力比
降Jｃｒ值見式（２）。
計算得Jｃｒ ＝０．３２，按枟水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)
范枠（ＧＢ５０２８７ －９９）附錄Ｍ 第Ｍ．０．４ 規(guī)定對無粘性土
可采用下述公式計算J允＝Jｃｒ ／m，m 為安全系數(shù)，取
２．０。
通過上述公式計算得出壩基土J允＝０．１６。
2．2　土的滲透穩(wěn)定判別
根據(jù)壩體壩基計算的出逸比降，與現(xiàn)狀土體本身
的允許滲透比降比較，從而確定壩坡出逸段和下游壩
基表面滲透是否穩(wěn)定，計算成果見表４。
表4　壩體壩基滲流計算成果
壩體樁號J計算［J］ 穩(wěn)定性評價
０ ＋１００ 壩后出逸段０．３５ ０．１５ 不穩(wěn)定下游壩基０．４０ ０．２０ 不穩(wěn)定０ ＋６００ 壩后出逸段１．２０ ０．１５ 不穩(wěn)定下游壩基０．８３ ０．２０ 不穩(wěn)定　　由表４ 可知，在水庫正常蓄水位時，０ ＋１００ 壩段、
０ ＋６００ 壩段上下游壩坡出逸段水力坡降均大于允許
坡降，因此壩體壩基有發(fā)生滲透破壞的危險。
３　結(jié)　語
１）水庫壩體土料滲透系數(shù)基本在２．３ ×１０ －４ ～
３．１ ×１０ －２ ｃｍ／ｓ 之間，不滿足規(guī)范要求的小于１ ×
１０ －４ ｃｍ／ｓ。
２）水庫壩基由低液限粉土、粉土質(zhì)砂組成，壩基
滲透嚴(yán)重。
３）水庫壩基清除不徹底，造成壩體與壩基間接觸
滲漏。
４）在水庫正常蓄水位時，０ ＋１００ 壩段、０ ＋６００ 壩
段下游壩坡出逸段及下游壩基水力坡降大于允許坡
降，因此壩體壩基有發(fā)生滲透破壞的可能。
綜上所述，根據(jù)枟水庫大壩安全評價導(dǎo)則枠（ＳＬ２５８
－２０００）附錄Ｂ 并結(jié)合現(xiàn)場檢查和工程質(zhì)量評價肖克
爾水庫壩體壩基滲流形態(tài)不穩(wěn)定，評定為Ｃ 級。
７２

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