施莊水庫(kù)大壩滲流及穩(wěn)定性分析

徐懷霞 吳小林（山東省臨沂市蘭山區(qū)花園灌溉所 臨沂 276038 山東省臨沂市蘭山區(qū)施莊水庫(kù) 臨沂 276033）

施莊水庫(kù)大壩滲流及穩(wěn)定性分析

徐懷霞 吳小林
（山東省臨沂市蘭山區(qū)花園灌溉所 臨沂 276038 山東省臨沂市蘭山區(qū)施莊水庫(kù) 臨沂 276033）

針對(duì)施莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固后的大壩，選取最大壩高斷面，依據(jù)不同工況，采用理正系列軟件的“滲流分析軟件”進(jìn)行滲流計(jì)算分析；“邊坡穩(wěn)定分析軟件”直接讀入滲流計(jì)算成果，采用簡(jiǎn)化Bishop法自動(dòng)搜索不同滑弧中心和滑弧半徑，求得具有最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。可為同類水庫(kù)大壩降低風(fēng)險(xiǎn)、提高大壩運(yùn)行安全度提供參考。

施莊水庫(kù) 土石壩 滲流分析 穩(wěn)定性分析 簡(jiǎn)化Bishop法

據(jù)統(tǒng)計(jì)，水庫(kù)失事大多是由于滲流和壩坡穩(wěn)定不合理導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)而造成的。為保證除險(xiǎn)加固工程的質(zhì)量及修復(fù)后的土石壩能夠安全運(yùn)行，在加固后對(duì)大壩進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)是十分必要的。本文對(duì)加固后的施莊水庫(kù)大壩的滲流及壩體抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了分析計(jì)算，指出了通過對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程，極大減少了滲流的不利影響，保證了大壩壩坡的穩(wěn)定，提高了水庫(kù)大壩運(yùn)行的安全性。

1 工程概況

施莊水庫(kù)位于臨沂城北35km李官鎮(zhèn)施莊村西蒙河支流朱里河上，西與費(fèi)區(qū)接壤，北與沂南區(qū)相鄰，是一座以防洪減災(zāi)、工業(yè)和城鎮(zhèn)供水、灌溉為主，旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)，其工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞組成。大壩為南北方向，全長(zhǎng)719m，壩基為砂巖，壩型為粘土心墻砂殼壩，壩頂高程112.6m，壩頂寬6m，最大壩高14.8m。壩坡為干砌塊石護(hù)坡，迎水坡度1∶3，大壩背水坡在高程106.0m設(shè)戧臺(tái)，戧臺(tái)寬2m，戧臺(tái)以上壩坡為1∶2.5，戧臺(tái)以下壩坡為1∶2.75。

大壩除險(xiǎn)加固前出現(xiàn)的問題為：大壩心墻填筑質(zhì)量較差，局部具中等透水性，明顯存在隱患，不符合防滲土料技術(shù)要求；大壩0+230～0+380段高程108.46～110.30m為礫質(zhì)粗砂夾層，且上下游貫通，形成了滲漏通道，嚴(yán)重威脅了大壩安全；壩前砂殼填筑較亂，砂、砂壤土混雜，填筑質(zhì)量較差，特別是0+230～0+470段壩前砂殼存在液化的可能。針對(duì)工程特點(diǎn)，2010年對(duì)大壩進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，全壩段心墻接高，0+216～0+500上游砂殼抗震加固，0+380～0+530壩段壩基滲漏處理，翻修壩腳排水體，壩頂路面、壩頂防浪墻等工程。

2 滲流分析

2.1 計(jì)算原理

根據(jù)達(dá)西定律和連續(xù)條件

可得二維滲流方程

式中：vx、vy—x向和y向的滲流流速；

kx、ky—x向和y向的滲流系數(shù)；

H—滲流場(chǎng)中某一點(diǎn)的滲壓水頭。

2.2 計(jì)算工況

本文選取最大壩高斷面就以下工況進(jìn)行滲流計(jì)算：（1）上游正常蓄水位108.36m與相應(yīng)的下游最低水位；（2）上游設(shè)計(jì)洪水位110.29m與相應(yīng)的下游最低水位；（3）上游校核洪水位111.30m與相應(yīng)的下游最低水位。各種計(jì)算工況下的下游水位，由于無法確定其準(zhǔn)確值，計(jì)算時(shí)均按下游無水來考慮。

2.3 滲流計(jì)算

大壩的滲流計(jì)算采用北京理正系列軟件的“滲流分析計(jì)算軟件”中的有限元分析法來進(jìn)行，該軟件可以計(jì)算壩體內(nèi)浸潤(rùn)線和滲流量，壩體、壩基內(nèi)各點(diǎn)的壓力水頭值、總水頭值和水力比降值，繪制壓力水頭等值線及彩色云圖，總水頭等值線、彩色云圖及各點(diǎn)水力比降彩色云圖等。

壩基和壩體各區(qū)材料的滲透系數(shù)值根據(jù)地質(zhì)勘探資料及室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果綜合考慮來確定，各區(qū)滲透系數(shù)取值見表1。

將壩體的橫截面、各土層特性、水位等參數(shù)輸入理正滲流分析計(jì)算軟件，選用有限元分析法進(jìn)行計(jì)算。各工況計(jì)算成果見表2。

表1 大壩二維穩(wěn)定滲流分析參數(shù)表

表2 各工況滲流分析計(jì)算成果表

圖1 正常蓄水位工況下最高斷面水頭等勢(shì)線圖

表3 穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)表

表4 各工況穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

限于篇幅，給出正常蓄水位及設(shè)計(jì)洪水位工況下計(jì)算的浸潤(rùn)線、水頭等勢(shì)線分別見圖1及圖2。

3 穩(wěn)定分析

穩(wěn)定分析的目的是保證土石壩在自重、孔隙壓力、外荷載的作用下，具有足夠的穩(wěn)定性，不致發(fā)生通過壩體或壩基的整體或局部剪切破壞。

3.1 計(jì)算原理

壩體邊坡穩(wěn)定性分析方法主要是建立在極限平衡理論基礎(chǔ)之上，假設(shè)達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，土體將沿某一滑裂面產(chǎn)生剪切破壞而失穩(wěn)。滑裂面上的各點(diǎn)，土體均處于極限平衡狀態(tài)，滿足摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度條件。本文采用簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行壩體穩(wěn)定計(jì)算。

圖2 設(shè)計(jì)洪水位工況下最高斷面水頭等勢(shì)線圖

簡(jiǎn)化Bishop法穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：W—土條重量，浸潤(rùn)線上為天然容重，浸潤(rùn)線下為飽和容重；

u—作用于土條底面的孔隙壓力；

α—條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；

b—土條寬度；

e—土條的水平力至滑弧中心的力臂；

R—圓弧半徑。

3.2 計(jì)算工況

壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算所取斷面與壩體滲流分析斷面相同，即為最大壩高斷面，計(jì)算時(shí)根據(jù)該壩的實(shí)際情況，針對(duì)以下4種工況進(jìn)行計(jì)算：（1）上游正常蓄水位108.36m下的下游壩坡與壩基的穩(wěn)定性；（2）上游設(shè)計(jì)洪水位110.29m下的上游壩坡與壩基的穩(wěn)定性；（3）上游設(shè)計(jì)洪水位110.29m下的下游壩坡與壩基的穩(wěn)定性；（4）上游校核洪水位111.30m下的下游壩坡與壩基的穩(wěn)定性。

3.3 抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），土石壩在穩(wěn)定滲流計(jì)算工況下，土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)當(dāng)采用有效應(yīng)力法計(jì)算，根據(jù)施莊水庫(kù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告提供的物理力學(xué)指標(biāo)的建議值并類比相似工程選取各物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)值見表3。

壩坡的穩(wěn)定計(jì)算采用理正系列軟件的“土石壩邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算軟件”來進(jìn)行，計(jì)算時(shí)直接讀入相應(yīng)工況下滲流計(jì)算成果，并輸入表3中各參數(shù)，采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化Bishop法，自動(dòng)搜索具有最小穩(wěn)定安全系數(shù)的滑裂圓弧即為最危險(xiǎn)滑裂面。本工程大壩邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計(jì)算成果見表4。限于篇幅，僅給出工況1的計(jì)算成果圖，見圖3。

由表4可見，各計(jì)算工況下大壩壩坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范要求的最小值，故加固后的大壩抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4 結(jié)語

（1）除險(xiǎn)加固后心墻粘土土料的滲透系數(shù)大大減小，并且比壩殼土料的滲透系數(shù)小很多，因此在心墻內(nèi)滲流的水頭損失很大，下游壩體浸潤(rùn)線的位置明顯降低，在各個(gè)計(jì)算工況下，壩體浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)均在棱體排水體頂部以下，使大壩安全性得以提高，壩體原有滲漏問題得到解決，且計(jì)算結(jié)果表明不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞的問題。

（2）通過穩(wěn)定分析，進(jìn)行除險(xiǎn)加固后的施莊水庫(kù)大壩壩坡在各種計(jì)算工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的最小值，其不存在抗滑穩(wěn)定問題，各工況壩坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

（3）大壩滲流和邊坡穩(wěn)定分析中，應(yīng)注意各參數(shù)的正確選擇，因參數(shù)的確定對(duì)結(jié)果有很大的影響。土料的滲流系數(shù)、有效黏聚力及有效內(nèi)摩擦角值的選用不僅要注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還要考慮到實(shí)驗(yàn)與實(shí)際存在一定的誤差，因此要經(jīng)過多方面比較來選取，以便更加符合實(shí)際工程的需要