小型水庫土石壩穩定分析

小型水庫土石壩穩定分析

李世娟

(遼寧省凌源市水利局， 遼寧 凌源122500)

【摘要】本文結合工程實例，對大壩穩定性計算方法、計算模型、工況和參數進行了詳細說明，并針對滲流計算、壩坡穩定計算結果對壩體穩定情況進行了分析。

【關鍵詞】水庫； 土石壩； 穩定分析； 二維有限元法

中圖分類號：TU457文獻標志碼： A

Analysis of the Stability of Small Reservoir Earth-rock Dam

LI Shi-juan

(LiaoningLingyuanWaterConservancyBureau,Lingyuan122500,China)

Abstract：In the paper, project examples are combined for describing dam stability calculation method, calculation model, working conditions and parameters in detail. Dam stability condition is analyzed aiming at seepage calculation and dam slope stability calculation results.

Keywords：reservoir; earth-rock dam; stability analysis; two-dimensional finite element method

1工程概況

小型水庫均質土石壩高15m，壩頂長、寬分別為91.50m和2m，壩頂高程99.80m，設計、校核洪水位分別為98.45m和99.07m，正常蓄水位97.40m，下游水位85.00m，總庫容40萬m3，是一座兼具防洪、灌溉、供水等綜合利用功能的水利工程。由于使用年限較長，水庫的上游壩面、下游壩坡分別出現了塌陷和鼓凸、拉裂問題，其中下游壩坡的蠕變非常明顯，而且右壩肩滲水現象較為突出，對水庫使用功能的發揮、下游群眾生命財產安全構成了一定威脅。

2穩定性計算方法

2.1壩體穩定滲流場

采用有限元法對大壩滲流進行計算。由于使用年限較長，可以將土體狀態視為完全固結。此次研究所采用的二維均質土石壩穩定滲流方程如公式(1)所示，符合達西定律：

(1)

式中h——水頭；

Q——流量；

kxy、kxx、kyy、kyx——以x、y軸為主軸的滲透系數。

公式(2)、公式(3)分別用于水頭、流量邊界的計算：

(2)

lxvx+lyvy=vn

(3)

式中h0——已知水頭；

vx、vy——流速(分別沿x、y方向)；

lx、ly——滲透坡降(分別沿x、y方向)；

vn——流速(沿合向量方向)。

通過求解式(4)，可以計算穩定滲流場：

F=kh

(4)

式中k——滲透系數；

F——已知常數項，通過已知水頭結點求得。

各節點的滲透坡降與流速可以在求出h后分別解出，滲流場自由面上壓力p=0，且無滲流量通過，滿足vn=0和h=y。

2.2壩坡穩定性

結合《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)的相關要求，該研究對于大壩抗滑穩定水平通過簡化畢肖普法進行計算，邊坡穩定性計算采用有效應力圓弧滑裂面法進行：

(5)

(6)

式中K——安全系數；

C、φ——分別為黏聚力和內摩擦角；

W——條塊重力，根據條塊位于浸潤線上、下的實際情況，分別取重度、飽和重度；

U、D——分別為條塊浮力和滲透力；

α——條塊滲透力與水平線間夾角；

θ——條塊重力線與底面夾角；

b——土條寬度。

3計算模型、工況和參數

3.1計算模型

X軸正向選為順水方向、Y軸正向為豎直水流向上方向，原點設于0高程水平面，以0.5～1倍壩基長度為地基的有效深度。結合壩基地質情況，將壩體上下游河床以及壩基深度20m范圍作為計算區域。滲流計算涉及1650個單元，786個有限元網絡節點。

3.2計算工況與參數

該研究中，以正常蓄水位穩定滲流期、正常蓄水位+7級地震、校核洪水位驟降至正常蓄水位三種工況作為上游壩坡的計算工況；以設計洪水位穩定滲流期、設計洪水位+7級地震、校核洪水位穩定滲流期三種工況作為下游壩坡的計算工況。

根據地質勘查報告，對地基、壩體的材料物理力學指標、滲透系數進行確認，具體數值如表1所列。

表1　材料物理力學指標、滲透系數

4計算結果

4.1滲流計算結果

通過二維有限元軟件，對水庫三種工況進行滲流分析，得出流速矢量圖、壩體水力梯度、壩體最大坡降、壩體單寬流量等的計算結果，詳見表2。

表2　最大壩高斷面滲流計算結果

注: 坐標原點設于土石壩淤積面和上游面的交匯點，下游方向為X軸正向、豎直向上為Y軸正向。

由計算結果可以看出，壩體的單寬流量相對較小，最大坡降、抗滲性能均可滿足相關要求，但浸潤線出溢點相對較高，在三種工況下均位于下游壩體高程90m附近，若保護措施不得當，就非常容易出現滲透破壞的問題。結合水庫運行報告及工作人員的實踐經驗可知，人為破壞是導致滲透坡降、浸潤線相對較高的主要原因，目前，內坡反濾層壩面已經全部被人為破壞，下游壩腳排水棱體的使用功能也因人為破壞喪失殆盡。另外，由于水庫建設時相關技術水平有限等原因，壩體的填筑質量已經無法滿足現行標準的要求，滲透系數相對較高。

根據流速矢量圖，可確認重點防護的對象為溢點高程90m左右處；水力梯度最大值為0.42，位于坡腳處，表明下游壩體內大部分區域為飽和，無法保障壩體穩定性，且極易出現滲透破壞問題。

滲透破壞、水力坡降間存在著密切的聯系，通過水力坡降，可以預判滲透破壞的易發區域。由于X、Y方向的最大坡降分別位于壩體下游坡腳及下游巖體，因此，應于坡腳處進行排水棱體的設置，以便降低浸潤線高度。綜上所述，水庫滲流穩定性不佳，則壩坡失穩問題容易發生。實踐證明，水庫運行經歷與該研究所得結論一致，證明了該研究方法具有科學性及有效性特征。

4.2壩坡穩定分析結果

壩坡穩定分析以滲流分析的結果為依據，通過簡化畢肖普法對三種工況下壩坡穩定性進行計算，部分計算結果如右表3所列。

5結語

綜上所述，大壩存在著出現滲透破壞的可能性，所以在水庫日常管理工作中，技術人員要對下游坡腳的

表3　最大壩高斷面穩定安全系數

注： 其他工況下的穩定要求在以上三種工況的穩定要求得到滿足時即可得到滿足，因此僅對以上工況進行計算。

整體排水設施尤其是排水棱體進行全面檢查和維護，或采取相應措施重點對下游壩坡穩定性與防滲等方面進行加固處理，徹底消除目前存在的安全隱患，充分發揮大壩的工程效益。

參考文獻

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