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【摘要】 病险水库除险加固是近年水利工程的任务之一。本文以某一工程除险加固为例，详细介绍病险水库大坝稳定计算过程，以供参考。
【关键词】 病险水库；大坝；稳定计算
【中图分类号】 TV31【文献标识码】 C 【文章编号】 1727-5123（2012）03-074-02
1引言
病险水库除险加固是近年水利工程的任务之一。由于水库的长期运行，工程存在老化、人为破坏、自然侵蚀等现象，各种各样的原因，许多水库都不同程度存在一些病险问题，为了水库的继续安全运行，需要对水库存的问题及隐患进行排查、修补、加固。本文以某一小型水库工程除险加固为例，详细介绍病险水库大坝稳定计算过程，供借鉴和参考。
2概述
某水库是一座以农业灌溉及对乡供水为主并兼有防洪任务的小（二）型水库。水库坝顶高程为713.80m，水库多年平均径流量为1230mm，设计洪水标准为20年一遇，相应洪峰流量为7m3/s；校核洪水标准为200年一遇，相应洪峰流量为10.71m3/s。水库限制蓄水位为711.60m，死水位为696.60m，水库总库容22.30万m3，正常库容18.54m3，死库容1.6万m3。该工程没有修建溢洪道设施，并且卧管渗漏严重，蓄水功能低下。为了保证大坝的整体稳定和水库防汛安全，对水库进行彻底整治是非常必要和紧迫的。
3大坝稳定复核计算
3.1大坝整治后渗流计算分析。
3.1.1渗流计算方法。采用河海大学工程力学研究所编“水工结构分析系统 AutoBANK v5.6”计算，该软件采用有限元技术，可对土坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算，稳定渗流场分析输出等势线，渗流量，浸润线，水力坡降，任意点的流场数据、任意断面的流场数据分布图。
3.1.2渗透系数。根据岩土采样实验成果及现场试验成果可知，坝体土渗透系数5.13×10-44cm/s。
3.1.3根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001）对渗流计算的要求，计算工况如下表：
渗流计算工况表
3.1.4渗流计算成果。渗流计算采用河海大学工程力学研究所编“水工结构分析系统 AutoBANK v5.6”计算，大坝渗流计算成果见下表，由表可知，大坝渗漏量较小，出逸点较低。
大坝渗流计算成果表（整治前）
大坝渗流计算成果表（整治后）
由计算结果可知，正常蓄水位时坝体单宽渗流量为1.17×10-5m3/s/m；校核洪水位时为1.6×10-5m3/s/m，计算得出的渗流量不大，符合大坝弱透水性土的特点。计算渗流比降为J=0.05～0.27，最大为0.27。
根据《水利水电工程地质勘察规范》推荐的判别公式对坝体土的渗透变形形式进行判别：
PC？燮■×100=44.1
其中PC—土的细粒颗粒含量，以质量百分率计（%），根据土工试验报告为PC=33%；
n—土的孔隙率，根据土工试验报告采用n=■=0.433；
经计算■×100=44.1%〉 PC=33%，由此判断本工程坝体只会发生管涌型渗透变形，管涌型土临界水力比降计算公式如下：
J临界=（GS-1）（1-n）2■；
式中：GS—土的颗粒密度与水的密度之比，GS=2.73；
n—土的孔隙率，n=0.433；
d5—占总土重5%的土粒粒径（mm）； d5=0.001；
d20—占总土重20%的土粒粒径（mm）； d20=0.0044；
土粒密度及孔隙率通过土工试验报告得知。经计算，大坝临界水力比降J临界=0.278。由大坝渗流计算结果可知大坝渗流比降为J=0.05～0.27，最大渗透坡降J=0.27 根据渗流计算结果表明，坝体渗透流量较小（1.13～1.59×10-5m3/s/m），符合大坝弱透水性土的特点。经计算在各工况下渗流比降值均大于临界渗透坡降J临界=0.278，不满足渗透稳定要求，会产生管涌型渗透变形，大坝存在渗流破坏不安全因素。从计算浸润线看，浸润线出逸口基本正常，渗流通过下游排水体排出。从理论分析结果表明，该工程渗流稳定是不安全的。在实际运行当中，经多年观察下游坝坡该水库已多年采取限制蓄水，说明坝体存在渗流安全问题。
3.2整治后大坝抗滑稳定安全复核。
3.2.1稳定计算方法及原理。采用瑞典型圆弧法，利用海大学工程力学研究所编“水工结构分析系统 AutoBANK 6.1网络版”计算，浸润线数据直接采用前面计算成果。
瑞典圆弧法确定安全系数的计算公式为：
F=■
式中：θi—i号土条底部中点切线的倾角；
Wi—i号土条的重量，Wi=rhibi
Cs—地震系数
αi—i号土条的力臂
R—圆弧半径。
3.2.2稳定计算工况条件。根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001），大坝稳定分析计算工况为：⑴施工期的上、下游坝坡稳定；⑵稳定渗流期的上、下游坝坡稳定；⑶水库水位降落期的上游坝坡稳定；⑷正常运用条件下遇地震的上、下游坝坡稳定。
3.2.3稳定复核计算参数。根据岩土采样实验成果及现场试验成果，并结合地区经验及相关规范，提出岩土物理力学参数见下表：
坝址区岩土物理力学参数建议值
注：稳定计算时坝内材料分区以大坝现状横剖面图为依据。
3.3稳定计算成果。根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001）规定，采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算时，坝坡抗滑稳定安全系数不应小于规定数值。
各种工况渗流条件下的大坝上、下游坝坡抗滑稳定计算成果见下表及图，由计算结果知大坝的上、下游坝坡抗滑安全系数均大于规范所要求的1.15或1.05（正常工作条件或非常工作条件），坝坡满足稳定要求。
坝坡抗滑稳定最小安全系数计算表（整治前）
坝坡抗滑稳定最小安全系数计算表（整治后）
注：规范允许值选用的“采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算时，坝坡抗滑稳定安全系数不应小于DL/T5395—2007表10.3.13即表8-4规定的数值。
4成果分析
参照《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001）的有关规定，要求坝坡抗滑稳定最小安全系數：正常运行条件为1.15，非常运行条件为1.05（计算方法为采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算）。经上述计算，该水库大坝上、下游坝坡稳定安全系数均大于规范要求的1.15或1.05（正常运行条件或非常运行条件），故坝坡满足稳定要求。
5结语
综上所述，通过本次计算，大坝下游坝坡的最小稳定安全系数均低于规范值要求，有滑坡失稳的危险；经进一步复核稳定计算，除险加固以后能达到设计运行状态，说明大坝加固的方案是可行的。保证了大坝的整体稳定和水库防汛安全，确保下游国家和人民生命财产安全，更好地发挥水库兴利除害功能。
【关键词】 病险水库；大坝；稳定计算
【中图分类号】 TV31【文献标识码】 C 【文章编号】 1727-5123（2012）03-074-02
1引言
病险水库除险加固是近年水利工程的任务之一。由于水库的长期运行，工程存在老化、人为破坏、自然侵蚀等现象，各种各样的原因，许多水库都不同程度存在一些病险问题，为了水库的继续安全运行，需要对水库存的问题及隐患进行排查、修补、加固。本文以某一小型水库工程除险加固为例，详细介绍病险水库大坝稳定计算过程，供借鉴和参考。
2概述
某水库是一座以农业灌溉及对乡供水为主并兼有防洪任务的小（二）型水库。水库坝顶高程为713.80m，水库多年平均径流量为1230mm，设计洪水标准为20年一遇，相应洪峰流量为7m3/s；校核洪水标准为200年一遇，相应洪峰流量为10.71m3/s。水库限制蓄水位为711.60m，死水位为696.60m，水库总库容22.30万m3，正常库容18.54m3，死库容1.6万m3。该工程没有修建溢洪道设施，并且卧管渗漏严重，蓄水功能低下。为了保证大坝的整体稳定和水库防汛安全，对水库进行彻底整治是非常必要和紧迫的。
3大坝稳定复核计算
3.1大坝整治后渗流计算分析。
3.1.1渗流计算方法。采用河海大学工程力学研究所编“水工结构分析系统 AutoBANK v5.6”计算，该软件采用有限元技术，可对土坝、堤防、涵洞、水闸等水工建筑物进行详细的分析计算，稳定渗流场分析输出等势线，渗流量，浸润线，水力坡降，任意点的流场数据、任意断面的流场数据分布图。
3.1.2渗透系数。根据岩土采样实验成果及现场试验成果可知，坝体土渗透系数5.13×10-44cm/s。
3.1.3根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001）对渗流计算的要求，计算工况如下表：
渗流计算工况表
3.1.4渗流计算成果。渗流计算采用河海大学工程力学研究所编“水工结构分析系统 AutoBANK v5.6”计算，大坝渗流计算成果见下表，由表可知，大坝渗漏量较小，出逸点较低。
大坝渗流计算成果表（整治前）
大坝渗流计算成果表（整治后）
由计算结果可知，正常蓄水位时坝体单宽渗流量为1.17×10-5m3/s/m；校核洪水位时为1.6×10-5m3/s/m，计算得出的渗流量不大，符合大坝弱透水性土的特点。计算渗流比降为J=0.05～0.27，最大为0.27。
根据《水利水电工程地质勘察规范》推荐的判别公式对坝体土的渗透变形形式进行判别：
PC？燮■×100=44.1
其中PC—土的细粒颗粒含量，以质量百分率计（%），根据土工试验报告为PC=33%；
n—土的孔隙率，根据土工试验报告采用n=■=0.433；
经计算■×100=44.1%〉 PC=33%，由此判断本工程坝体只会发生管涌型渗透变形，管涌型土临界水力比降计算公式如下：
J临界=（GS-1）（1-n）2■；
式中：GS—土的颗粒密度与水的密度之比，GS=2.73；
n—土的孔隙率，n=0.433；
d5—占总土重5%的土粒粒径（mm）； d5=0.001；
d20—占总土重20%的土粒粒径（mm）； d20=0.0044；
土粒密度及孔隙率通过土工试验报告得知。经计算，大坝临界水力比降J临界=0.278。由大坝渗流计算结果可知大坝渗流比降为J=0.05～0.27，最大渗透坡降J=0.27
3.2整治后大坝抗滑稳定安全复核。
3.2.1稳定计算方法及原理。采用瑞典型圆弧法，利用海大学工程力学研究所编“水工结构分析系统 AutoBANK 6.1网络版”计算，浸润线数据直接采用前面计算成果。
瑞典圆弧法确定安全系数的计算公式为：
F=■
式中：θi—i号土条底部中点切线的倾角；
Wi—i号土条的重量，Wi=rhibi
Cs—地震系数
αi—i号土条的力臂
R—圆弧半径。
3.2.2稳定计算工况条件。根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001），大坝稳定分析计算工况为：⑴施工期的上、下游坝坡稳定；⑵稳定渗流期的上、下游坝坡稳定；⑶水库水位降落期的上游坝坡稳定；⑷正常运用条件下遇地震的上、下游坝坡稳定。
3.2.3稳定复核计算参数。根据岩土采样实验成果及现场试验成果，并结合地区经验及相关规范，提出岩土物理力学参数见下表：
坝址区岩土物理力学参数建议值
注：稳定计算时坝内材料分区以大坝现状横剖面图为依据。
3.3稳定计算成果。根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001）规定，采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算时，坝坡抗滑稳定安全系数不应小于规定数值。
各种工况渗流条件下的大坝上、下游坝坡抗滑稳定计算成果见下表及图，由计算结果知大坝的上、下游坝坡抗滑安全系数均大于规范所要求的1.15或1.05（正常工作条件或非常工作条件），坝坡满足稳定要求。
坝坡抗滑稳定最小安全系数计算表（整治前）
坝坡抗滑稳定最小安全系数计算表（整治后）
注：规范允许值选用的“采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算时，坝坡抗滑稳定安全系数不应小于DL/T5395—2007表10.3.13即表8-4规定的数值。
4成果分析
参照《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007、SL274-2001）的有关规定，要求坝坡抗滑稳定最小安全系數：正常运行条件为1.15，非常运行条件为1.05（计算方法为采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法计算）。经上述计算，该水库大坝上、下游坝坡稳定安全系数均大于规范要求的1.15或1.05（正常运行条件或非常运行条件），故坝坡满足稳定要求。
5结语
综上所述，通过本次计算，大坝下游坝坡的最小稳定安全系数均低于规范值要求，有滑坡失稳的危险；经进一步复核稳定计算，除险加固以后能达到设计运行状态，说明大坝加固的方案是可行的。保证了大坝的整体稳定和水库防汛安全，确保下游国家和人民生命财产安全，更好地发挥水库兴利除害功能。