長山水庫大壩安全評價分析

辛子龍

( 黑龍江省八五一一農場水務局，黑龍江 密山158307)

1 工程概況

長山水庫位于穆棱河左岸的主要一級支流哈達河上，距長山村約220 m，距雞東縣城30 km，地理坐標E131°12'，N45°22'。

水庫控制流域面積15.7 km2，水庫上游為低山區，主要為耕地及林地，植被不好，水土流失較嚴重，水庫壩址下游長山村以南為哈達河沖積平原，總的地勢起伏不大。

水庫校核洪水位206.44 m，相應庫容為65.51 ×104m3，設計洪水位205.74 m，相應庫容44.72 ×104m3，死水位203.85 m，相應庫容8.49 ×104m3，是一座以灌溉為主，兼顧養魚的小(2) 型水庫［1］。

水庫始建于20 世紀70年代，由長山村組織村民修建，是采用車拉肩挑的方式施工，無勘察設計資料。

2 大壩工程質量

長山水庫壩型為黏土均質壩，土壩全長290 m，壩頂高程在208.82 ～207.06 m，東側壩肩處稍低，高程為206.75 m，壩頂寬度5 ～6 m，最大壩高7.43 m，上游邊坡比1 ∶2.5 ～1 ∶2.7，下游邊坡比1 ∶1.3 ～1∶1.5，上下游邊坡均無護坡，壩后無排水設施。

3 壩頂高程復核

按照《碾壓式土石壩設計規范》( SL274—2001)［2］的規定，壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定:

式中: Y 為壩頂超高，m; R 為最大波浪在壩坡上的爬高，m; e 為最大風壅水面高度，m; A 為安全加高，對于Ⅳ等4 級的土壩，設計情況為0.5 m，校核情況為0.3 m。

水庫風浪要素按《碾壓式土石壩設計規范》( SL274—2001) 的要求確定，波浪的平均波高、平均波周期及平均波長按莆田實驗站公式計算。

經計算，壩頂高程應為207.00 m。土壩現狀頂高程為208.82 ～207.06 m，現狀壩頂高程滿足要求。

4 大壩結構安全

4.1 計算工況選取

本次設計分別計算蓄水的各個時期不同荷載下土壩穩定性，共計算以下3 種工況:

1) 設計洪水位期的下游壩坡。

2) 校核洪水位期的下游壩坡。

3) 水庫水位為1/3 壩高水位時的上游壩坡。

4.2 計算方法

壩坡抗滑穩定計算采用剛體極限平衡法，對于均質壩采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，計算公式如下:

式中: b 為土條寬度，m; W 為土條重量，m; V 為垂直地震慣性力( 向上為負，向下為正) ; Z 為壩坡外水位高出條塊底面中心點的距離; u 為作用于土條底面的孔隙壓力; α 為條塊重力線與通過此條塊底面中心的半徑之間的夾角，度; c'、φ' 為土條底面的有效應力抗剪強度指標; Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩; R 為圓弧半徑。

4.3 計算斷面選取

根據工程地質勘探和土工試驗成果，結合地形條件、土壩高度和填筑材料等，選取最大壩高1 +200斷面進行穩定計算。

土壩和壩基土體物理力學指標設計值根據工程地質勘察和土工試驗成果選取，計算采用指標見表1。

表1 壩體材料物理力學指標表

采用理正軟件程序計算，上游坡比為1∶2.5，下游坡比為1∶1.5，對各種工況進行穩定計算，計算成果見表2。

按《碾壓式土石壩設計規范》( SL274—2001) 規定:壩坡抗滑穩定的安全系數: 對于4 級壩，在正常運用條件下，應≥1.15，在非常運用條件Ⅰ下，應≥1.05。典型斷面穩定計算結果見表2。

計算結果表明，土壩壩坡抗滑穩定最小安全系數大于規范規定的最小安全系數，抗滑穩定滿足要求。

表2 壩體穩定計算成果表

5 滲流安全

參照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》( SL189—96)［3］，滲流計算水位組合情況為: 上游正常蓄水位與下游不利水位。

5.1 計算斷面及滲透系數選取

根據工程地質勘探和土工試驗成果，壩體滲流計算選取最大剖面，土壩的滲透系數見表3。

表3 滲透系數設計參數表 cm/s

5.2 壩體滲流計算方法及成果

壩體滲流計算包括滲流量及出逸點高度計算，臨界比降計算。

5.2.1 滲流量及出逸點高度計算

根據《堤防工程設計規范》( GB50286—98) 采用不透水地基滲流計算，滲流計算成果見表4。

表4 滲流計算成果表

5.2.2 臨界比降

對于黏土，壩坡出口允許滲流坡降規定為: ［Jc］≥0.6 。壩體滲流出口比降小于允許臨界比降，壩體滿足滲流穩定要求。

5.3 壩基滲流計算方法及成果

根據地質資料，壩基為雙層地基結構，表層土透水性較弱，下部透水性較強，且兩層滲透系數較大，比值＞100，根據《堤防工程設計規范》( GB50286—98)［4］采用雙層地基滲流計算，計算簡圖見圖1，計算公式為:

式中: A 為越流系數; L 為臨水側等效長度，m; h 為CD 段弱透水層底板承壓水頭，m; H 為上、下游水位差，m; k0為強透水堤基滲透系數，k =5 ×10－3cm/s;k1為弱透水堤基滲透系數，k =7.45 ×10－6cm/s; T 0為強透水堤基層厚度，0.4 m; T1為弱透水堤基層厚度，0.4 m。

圖1 雙層地基滲流計算簡圖

當下游滲透出逸比降符合下式時，應設置排水蓋重層或排水減壓溝、井。

式中: h 為根據滲流計算求得的表層弱透水層承壓水頭; Gs 為表層土的土粒比重，取2.70; n1為表層土的孔隙率，取39%; K 為安全系數，取1.5; T1為弱透水層厚度，為坡腳處厚度，取0.4 m;

計算得表層土在壩下游坡腳點的出逸比降為2.8，大于黏土允許出逸比降0.695，壩基滲透不穩定。應在壩腳處設排水蓋重層。

6 結 論

根據土壩壩頂超高復核，壩頂高程達標。根據土壩邊坡穩定計算結果，水庫土壩邊坡最小安全系數大于現行規范規定的最小安全系數。但是土壩護坡缺失不完整，易沖刷，存在安全隱患。

通過滲流計算，壩體出口比降小于允許水力比降，壩體滿足滲流穩定要求。但是，有些壩段存在雙層地基結構，表層為含砂低液限黏土，下層為含細粒土細礫。

通過對壩基的滲流穩定計算，得出出逸比降大于表層土的允許比降，滲透不穩定，需要在壩腳處加蓋重等工程措施。綜上所述，土壩經壩基處理后仍可發揮工程效益。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院. 雞東縣長山水庫大壩安全鑒定報告書［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2011.

［2］黃河水利委員會勘測設計研究院.SL274—2001 碾壓式土石壩設計規范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2001.

［3］中華人民共和國水利部.SL189—96 小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則［S］. 北京:中華人民共和國水利部，1996.

［4］水利部水利水電規劃設計總院.GB50286—98 堤防工程設計規范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.