水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析實(shí)例綜述

王海青

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽550000)

1 工程概況

某水庫是一座有綜合效益的小型水利工程，主要是以防洪為主、兼顧灌溉、供下游企業(yè)用水。水庫總庫容65.15萬m3，控制徑流面積13.1 km2，有效灌溉面積10.6 hm2。

2 調(diào)查分析

該水庫的大壩為均質(zhì)土壩，上游壩坡坡比為1∶2.42～1∶2.64，下游壩坡坡比為 1∶2.32 ～1∶2.76，壩頂寬6.4 m，壩軸線長(zhǎng)294 m，最大壩高20.5 m。由于該水庫的筑壩土料不均勻，壩體碾壓未達(dá)標(biāo)，使得正常蓄水位下浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)偏高，導(dǎo)致壩體滲漏較為嚴(yán)重，大壩存在滲漏異常，后壩坡大面積散浸，威脅下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。

3 大壩滲流計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

結(jié)合某水庫的具體情況，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》的規(guī)定，計(jì)算工況有以下3種:①死水位(1 939.00 m)+下游水位(取地面高程);②正常蓄水位(1 942.00 m)+下游水位(取地面高程);③設(shè)計(jì)洪水位(1 944.50 m)+下游水位(取地面高程)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)大壩進(jìn)行滲流計(jì)算分析，得到的計(jì)算結(jié)果，有壩體單寬滲漏量及壩坡出逸點(diǎn)滲透坡降成果，具體見表1、表2。

表1 壩體和壩基滲漏量統(tǒng)計(jì)表

表2 滲透穩(wěn)定分析成果表

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)提供的土樣試驗(yàn)報(bào)告，首先將試驗(yàn)得到的土料的孔隙比換算為孔隙率，然后采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中的判別方法，根據(jù)土料顆粒分析統(tǒng)計(jì)可知，土料的細(xì)粒含量的計(jì)算公式為:

上式中:n為土的孔隙率;Pc為土的細(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)。由此可見，土料的細(xì)粒含量＞35%，同時(shí)不均勻系數(shù)＞5.0，故其滲透變形破壞為流土型。

流土型的臨界水力坡降的計(jì)算公式為:

上式中:n為土的孔隙率;Gs為土的顆粒密度與水的密度之比;Jcr為土的臨界水力比降。

計(jì)算得到壩體的臨界水力坡降為0.912，由于流土破壞為整體性破壞，對(duì)大壩危害較大。

4 大壩邊坡穩(wěn)定分析

考慮該水庫已運(yùn)行多年，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，需要選取大壩樁號(hào)0+100斷面，不再復(fù)核施工期的上下游壩坡穩(wěn)定，分為兩種情況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析，例如正常運(yùn)用條件及非常運(yùn)用條件，主要內(nèi)容有:①正常運(yùn)用條件:正常蓄水位及設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核;②非常運(yùn)用條件I:校核洪水位時(shí)期上、下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核;水庫水位由校核洪水位驟降至正常蓄水位時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定復(fù)核;③非常運(yùn)用條件Ⅱ:正常蓄水位穩(wěn)定滲流+地震時(shí)的上、下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核。

本次計(jì)算參數(shù)依據(jù)該水庫的除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)階段的工程地質(zhì)勘察報(bào)告，采用直接飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果，可以得到壩體土的各種材料物理力學(xué)性能指標(biāo)，例如黏聚力及內(nèi)摩擦角等，見表3。

表3 大壩各種材料物理力學(xué)性能標(biāo)表

根據(jù)上述各種指標(biāo)，再根據(jù)剛體極限平衡理論，根據(jù)規(guī)范的要求，分析壩坡的穩(wěn)定，采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。相應(yīng)地震力僅考慮水平順河流方向，由于大壩為4級(jí)建筑物，按照擬靜力法，進(jìn)行抗震穩(wěn)定計(jì)算，得出的壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式為:

上式中:W為土條重量，kg;R為圓弧半徑，m;b為土條寬度，m;c、φ為土條底面的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo);μ為作用于土條底面的孔隙壓力，kN;Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m;α為條塊重力線與通過該條塊底面中心的半徑之間的夾角，°;Q、V為分別為水平和垂直地震慣性力(向上為負(fù)，向下為正)，kN。通過上面的計(jì)算公式，可以得到大壩樁號(hào)0+100穩(wěn)定的復(fù)核成果，見表4。

表4 大壩樁號(hào)0+100穩(wěn)定復(fù)核成果表

根據(jù)表4，發(fā)現(xiàn)0+100斷面在校核洪水位及地震工況下，壩坡不穩(wěn)定，大壩下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

5 水庫大壩結(jié)構(gòu)安全綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)以上滲流及穩(wěn)定分析，再結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)該水庫進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)安全綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)大壩上游工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，下游壩坡各工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。由于該水庫的土石壩是5級(jí)建筑物，正常運(yùn)用條件的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.15，非常運(yùn)用條件的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.05。因此，大壩的下游壩坡有失穩(wěn)的可能，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)規(guī)范的要求，加強(qiáng)溢洪道邊墻的穩(wěn)定，確定大壩的結(jié)構(gòu)安全性為C級(jí)。

6 結(jié)語

通過對(duì)某水庫大壩進(jìn)行滲流及穩(wěn)定分析計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)，該壩的浸潤(rùn)線較高，大壩壩體滲流不穩(wěn)定，各計(jì)算工況下浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)滲透比降均大于滲透變形允許的水力比降。因此，要結(jié)合規(guī)范要求，加強(qiáng)對(duì)水庫大壩滲流及穩(wěn)定分析，確保抗滑穩(wěn)定的安全，從而對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，提高壩體防滲能力和抗滑穩(wěn)定。

［1］張周文.淺談水庫土壩護(hù)坡混凝土板厚度程序計(jì)算［J］.人民珠江，2001(4):22.

［2］宋永嘉，田景環(huán)，邵利.盤石頭水庫非常溢洪道進(jìn)口體型試驗(yàn)研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(1):43.

［3］類維強(qiáng).大站水庫西副壩防滲加固工程設(shè)計(jì)與施工［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2006.