基于Geo-Studio月牙河水库增容渗流复核分析

张 宇，谢 鹏，庞 辉

(1.山东省水利勘测设计院，济南 250000； 2.山东水总有限公司，济南 250000；3.山东省临沂市兰陵县水利局，山东 兰陵 277700)

1 概 述

随着城市建设发展，早期修建的水库原设计库容可能出现无法满足现状用水需求的现象。针对这一现象，采取水库增容工程是十分必要的[1-2]。水库增容后，渗流情况易出现变化，分析水库渗流变化对水库安全的影响是十分重要的。目前，Geo-Studio软件是流固耦合分析中较为常用的软件。该软件具备计算模型建立方法简便、计算速度快、结果准确等优势，在河道堤防稳定性分析[3-4]、土质边坡稳定性[5]、心墙坝稳定分析[6-7]等工程中均得到较多的使用。月牙河水库位于山东省宁阳县，水库建成多年来，在防洪安全、供水保障和生态维护等多方面发挥了重要作用。水库除自身流域产水外，还可以通过大汶河汶口拦河坝取水，通过东引汶干渠引水入库，水源条件良好，入库水量相对较为丰富。近10多年来，宁阳县区缺水越来越严重，月牙河水库作为宁阳县区的主要供水水源，由于水库兴利库容较小，调蓄大汶河水的能力有限，现有调蓄库容影响了对当地与大汶河雨洪资源的利用，浪费了极为宝贵的雨洪资源，因此对水库进行增容是十分必要的。结合工程，采用Geo-Studio软件分析水库增容前后的渗流情况变化。

2 工程概况

月牙河水库位于洸府河支流月牙河上，属淮河水系，水库控制流域面积21.8 km2，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养殖等综合利用的水库。水库设计洪水标准为100年一遇，校核标准为1 000年一遇。水库校核水位为87.65 m，总库容为1 006×104m3。

水库枢纽由大坝、隔堤、溢洪道、南放水洞、西放水洞、电站、东进水闸等组成，主坝为均质土坝，最大坝高11.0 m。大坝迎水坡坡比为1∶3.0，背水坡坡比为1∶2.5。

月牙河水库增容后总库容1 226×104m3，为中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为5级。设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇。

库区地貌可分为剥蚀平原地貌和河谷地貌两类。剥蚀平原地貌区主要分布的是②层壤土和③层壤土夹姜石，具中等透水性。河谷地貌区主要分布①层粗砂、②层壤土、③层壤土夹姜石和③-1层黏土质粗砂，具强透水性。

3 增容方案的选定

本次设计选用以下两个增容方案进行分析比较。

3.1 疏挖方案

库盆底高程在围坝西南角方向较低，低于死水位(78.50 m)，向东北方向库盆淤积严重，底高程越来越高，在围坝东北角方向已淤至兴利水位(85.50 m)，查勘期间围坝西北侧有大面积库内滩地出露在水面以上。水库围坝轴线占地面积125.019 3 hm2，高程高于水库死水位的库盆面积91.160 7 hm2，占水库围坝轴线面积72.9%。通过以上分析，库内有大量的淤积土侵占了库容，通过清除死水位以上的库盆淤积，可增加可观的兴利库容。按照平均疏挖厚度2.75 m计算，可清除220×104m3淤积物，相应增加兴利库容220×104m3。该方案不改变水库的兴利水位和防洪水位，不改变水库现行的运行工况，若将疏挖范围控制在建筑物安全保护范围以外，疏挖对水库现有枢纽建筑物的影响很小，施工方法简单、工期短。

3.2 提高兴利水位方案

月牙河水库规模论证阶段水库坝顶高程计算值为89.03 m，实测现状坝顶高程88.02～89.14 m，均高于校核洪水位，但局部现状水库坝顶不满足规范规定的坝顶超高要求。现状坝顶超高不具备提高兴利水位以达到水库增容目的的条件，若选用提高兴利水位方案，必须对围坝全坝段进行加高培厚，相应新增占地，增加社会风险，溢洪道、进水闸等围坝建筑物的挡水高度也会随之变化，引起现状工程不能满足水库正常运行，需要拆除重建或者改建，工程投资较大，工期较长。

通过以上分析和计算，确定采用工期短、投资省、对水库枢纽建筑物影响小、社会影响因素小的疏挖方案进行水库增容。

本次疏挖工程范围为水库围坝范围内高程高于78.50 m的部位，疏挖东南-西北方向平均长1 200 m，东北-西南方向平均宽600 m，现状库底高程78.5～84.0 m，局部可达85.50 m，设计疏挖底高程为78.50 m，疏挖厚度0～5.5 m，平均厚度2.75 m，疏挖边坡1∶6。疏挖区取料时，应避开库区枢纽建筑物足够安全距离，应对水库枢纽工程及附属建筑物进行有效避让，除西北坝段疏挖边界线距离坝脚100 m以外，其余坝段疏挖边界线距离坝脚50 m。

4 水库渗流复核分析

月牙河水库拟采取的增容措施是对水库围坝东北方向高程高于78.50 m的部位进行疏挖，因此增容后相较于增容前，围坝北段和东段坝前铺盖减少，渗径变短。通过Geo-Studio软件对水库围坝增容前、后分别进行渗流计算，比较分析增容工程引起的水库渗流情况变化。

4.1 计算断面及计算参数的选取

4.1.1 计算断面的选取

根据坝段地形特点以及拟采用的增容措施，选择增容措施影响的坝段进行渗流分析。根据地质勘察成果，选取库区疏挖地质剖面图(II-II)和(IV-IV)两个断面为计算断面。

4.1.2 计算参数的选取

根据本次地质勘察成果，坝体及坝基各层土料计算参数见表1、表2。

表1 断面II-II计算参数

表2 断面IV-IV计算参数

4.2 计算方法与计算工况

采用加拿大Geo-Studio软件的seep/w模块来进行渗流稳定分析。计算工况如下：

1) 库内为兴利水位85.50 m，库外水位位于地面以下1.5 m。

2) 库内为设计洪水位87.11 m，库外水位位于地面以下1 m。

3) 库内为校核洪水位87.65 m，库外水位位于地面以下1 m。

4.3 计算成果

增容前、增容后的大坝渗流计算结果见表3。

表3 大坝渗流计算成果表

经计算，增容影响的坝段长2 899 m，该坝段范围内疏挖前兴利水位下水库年渗漏量为58.64×104m3，疏挖后兴利水位下水库年渗漏量为58.76×104m3，因疏挖增容引起的渗漏量增加0.12×104m3，增加量较小。根据地质勘察资料，壤土的安全出逸比降取0.30，各计算断面的出逸比降疏挖前后基本一致，没有发生重大变化。因此,疏挖增容引起部分坝段渗漏量略有增加，并没有导致或者加重下游坝坡的渗透破坏。

疏挖增容前后各工况等势线图见图1、图2。

图1 疏挖增容前等势线图

图2 疏挖增容后等势线图

5 结 论

经计算，水库增容后相较于增容前，围坝北段和东段坝前铺盖减少，渗径变短，坝基渗漏略有增加。除此之外，基本不产生其他工程安全影响。水库现状存在集中渗漏带，渗漏问题较严重，坝后水位埋深1.00～1.20 m，存在浸没问题。

月牙河水库增容后总库容1 226×104m3，水库的工程规模、管理方式、工程功能及设防标准均未发生改变，增容工程未改变水库的兴利水位、设计洪水位和校核洪水位，枢纽建筑物的运行、管理工况维持现状，基本不产生工程安全影响，但部分坝段坝基渗漏略有增加。