明月水庫滲流及抗滑穩定分析計算

易謝冰

(湖南省株洲市水利水電勘測設計院 湖南株洲 412007)

1 前言

明月水庫位于攸縣丫江橋鎮雙峰村,距攸縣縣城57km。所在流域為淥江流域沙河支流,壩址控制集雨面積12km2,干流長度4.7km,流域多年平均降雨量1446mm。水庫正常蓄水位174..0m,設計洪水位175.70m,校核洪水位176.21m,正常庫容128.0萬m3,總庫容167.08萬m3,設計灌溉面積2500畝,是一座以灌溉為主,兼顧防洪、養殖、生態等綜合效益的小 (Ⅰ)型水庫。水庫大壩為粘土心墻壩,壩頂高程 178.4m,大壩全長187.5m,壩頂寬5.6m,壩腳無排水棱體。壩址山谷原為小溪,大壩修建時僅對地表第四系覆蓋層做簡單清除,壩體填土為山坡及坡腳坡、殘積土填筑而成,心墻為田底洼地廢土混雜坡、殘積土填筑而成,填筑后壩體滲透系數較大,導致壩體滲漏量大,浸潤線偏高。目前大壩背水面散浸、滲水現象嚴重,當庫水位達到171m附近時,壩體164.5m高程附近有滲漏點達7處,散浸面積265m2,且隨著水庫水位升高滲漏量增大,滲漏水流變成渾濁并有泥沙帶出,散浸面也不斷增大,局部坡面鼓脹變形,大壩存在嚴重的安全隱患。

鑒于明月水庫大壩存在的異常滲漏及結構安全隱患問題,筆者根據壩址區工程地質狀況對大壩進行了滲流及穩定分析。

1 滲流計算

1.1 計算方法及計算參數

滲流計算工具為理正滲流分析軟件,采用有限元法進行平面滲流計算。

滲流計算斷面選擇大壩最大壩高斷面。該斷面包含壩址所有的地質情況,具有詳細而可靠的地質鉆孔資料和試驗成果,因此選定作為典型斷面進行計算。大壩計算斷面如下圖。

圖1 大壩計算斷面簡圖

各材料分區根據水庫地質勘查資料取值如下表:

表1 各材料分區

滲流計算按穩定和非穩定滲流分別計算。穩定滲流分正常、設計、校核水位三種工況;非穩定滲流分正常蓄水位→1/2壩高水位、1/2壩高水位→死水位兩種工況,計算各種工況下的壩體浸潤線和最大滲透比降。各工況下大壩上下游水位如下表:

表2 各工況下大壩上下游水位

水庫庫水位降落主要考慮水庫需要放空時的工況,利用灌溉涵管將庫水排至下游,期間庫水位連續降落。根據明月水庫庫水位-庫容關系曲線及水庫灌溉涵管的泄流曲線,計算得到明月水庫庫水位降落曲線。計算結果顯示,利用灌溉涵管放水,使庫水位從正常蓄水位降落至死水位,需時9.53天,詳細降落過程見下表。

表3 庫水位降落過程

1.2 計算結果及分析

根據以上所述的計算參數及計算工況,使用有限元法對大壩典型斷面進行穩定滲流和非穩定滲流計算。穩定滲流各工況下的計算成果如下。

表4 穩定滲流各工況下的計算成果

以上所列計算成果顯示,大壩在穩定滲流條件各工況下的下游壩坡最大滲透比降均大于壩坡允許滲透比降,將造成壩體的滲透破壞,大壩滲流性態不安全,與現場觀察到的下游坡面出現鼓脹變形現象相符。

2 大壩壩坡抗滑穩定計算

2.1 計算方法及計算參數

大壩壩坡的穩定分析采用簡化畢肖普法和不計條塊間作用力的瑞典圓弧法對壩坡抗滑穩定安全系數進行計算,并在計算中考慮滲透水壓力的影響。

根據地質勘察資料確定壩體物理力學參數如下表。

表5 壩體物理力學參數

2.2 計算結果及分析

分別對幾種工況下的上下游大壩坡面最小抗滑穩定系數進行計算,結果如下:

表6 上下游大壩坡面最小抗滑穩定系數計算結果

計算成果表明:

明月水庫上下游壩坡的最小抗滑穩定安全系數在各種工況下均未達到規范允許值,壩坡不能滿足穩定要求。

3 結語

本文通過對明月水庫大壩最大壩高斷面進行滲流計算,得出了計算斷面測壓管水頭等值線圖、單位長度壩段穩定滲流量以及下游坡面的滲透比降。計算結果表明,在穩定滲流情況下,大壩下游坡面滲透比降大于坡面允許滲透比降,大壩在滲流作用下,將對下游坡面造成滲透破壞,這一點已經得到了現場檢查結果的證實。

通過分別采用簡化畢肖普法和不計條塊間作用力的瑞典圓弧法兩種方法進行抗滑穩定計算,得出了計算斷面上下游壩坡的最小抗滑穩定安全系數。計算結果表明:水庫上下游坡面的最小抗滑穩定安全系數小于規范允許值,壩坡不能滿足穩定要求。

1 華東水利學院.《水工設計手冊》第 4冊《土石壩》.(水利電力出版社,1984年).

2 中華人民共和國水利部.《碾壓式土石壩設計規范》.北京:中國水利水電出版社,2001.