興隆山水庫大壩穩定性分析

韓麗霞

(彰武縣水利技術推廣中心站， 遼寧 阜新　123200)

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興隆山水庫大壩穩定性分析

韓麗霞

(彰武縣水利技術推廣中心站， 遼寧 阜新123200)

興隆山水庫已運行五十多年，目前大壩存在諸多問題，需要對大壩的穩定性重新進行復核，驗算大壩的穩定性和安全性，確保其安全運行。本文根據興隆山水庫運行現狀，分析大壩存在的主要問題，對大壩高程及壩體穩定性進行了復核，為興隆山水庫除險加固工程建設提供參考。

興隆山水庫； 大壩； 穩定性； 復合； 穩定驗算

1　工程概況

興隆山水庫位于遼寧省彰武縣東10km的興隆山鄉，養息牧河流域地河上游，壩址以上集雨面積25.70km2，壩頂長1790m，壩頂高程103.50m，最大壩高為6.50m，主壩右端建有1座長45.60m，1.00m×1.20m矩形漿砌石輸水洞，進口底高程97.47m；副壩上游建有溢洪道，堰頂高程100.50m，閘體為鋼筋混凝土結構。水庫設計洪水標準50年一遇，設計洪水位101.31m，相應庫容237.86萬m3；校核洪水標準500年一遇，校核洪水位101.92m，相應庫容318.94萬m3。興隆山水庫設計灌溉水田面積2000畝，養魚水面390畝，保護著下游3000畝耕地、6000人的安全。興隆山水庫是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養魚綜合利用的小(1)型平原水庫。

1958年，興隆山水庫開始興建；1963年，未完工程進行續建；1977年，溢洪道工程進行維修；1989年，新建防浪墻工程和大壩護坡翻修；2005年，溢洪道工程進行二次維修、加固。

2　大壩穩定性復核的必要性

截至目前，興隆山水庫已運行五十多年，由于歷史原因和運用中的多種因素影響，大壩存在的主要問題是：壩頂高低不平，0+205～0+380和0+730～1+250段下游壩坡嚴重缺土，存在著嚴重的安全隱患；上游護坡石經過多年的凍融循環，風化破損嚴重，大部分壩面無反濾層，壩體土流失；0+000～0+615下游是魚塘，水位較高，浸泡壩腳，大壩無排水體。

鑒于上述原因，需要對興隆山水庫大壩的穩定性重新進行復核，驗算大壩的穩定性和安全性，確保水庫大壩安全運行。

3　地質概況

3.1工程地質

興隆山水庫庫區位于彰武縣中部平原區，大地構造位于中朝準地臺燕山臺褶帶東部，水庫及壩址區地層簡單，水庫區范圍無大的構造發育，無不良工程地質現象，區域穩定性良好。

按照《中國地震動參數區劃圖(遼寧省地震動峰值加速度區劃圖)》(GB 18306—2001)劃分，興隆山水庫地處地震基本烈度Ⅵ度區，地震動峰值加速度為0.05g。

3.2壩區地質

興隆山水庫位于養息牧河，地勢較平坦，植被覆蓋良好。壩址區廣泛分布在第四系中砂層(Q3～4)，鉆孔揭示厚度22～22.99m，呈淺黃褐色、灰白色，稍濕飽和。上部稍密狀態，下部中密～密實狀態，成分以石英為主，其次是長石，少見暗色礦物，分選良好，級配磨圓較差，無膠結。

4　壩體特性

興隆山水庫建于“大躍進”時代，屬“三邊”工程，是當地群眾靠手拉、肩扛等方式建起的工程，筑壩多采用當地壩址周邊的土料。現場勘查結果表明：興隆山水庫壩基為輕壤土兼沙壤土；物理力學指標為干容重γ干=15.50kN/m3，土壤內摩擦角φ=21°，滲透系數7×10-5cm/s；大壩為均質土壩，筑壩土料為粉質沙壤土，其物理力學指標見表1。

表1　巖土物理力學設計指標

5　壩頂高程復核

壩體典型斷面為:壩高5.50m，壩頂寬4m，上游坡比為1∶30，下游坡比為1∶40，上游采用塊石護坡，下游為草皮護坡，壩頂高程為103.50m，防浪墻頂高程為104.30m。

5.1壩頂超高計算

5.1.1計算公式

a.壩頂超高計算。

Y=R+e+A

式中Y——壩頂超高，m；

R——最大波浪在壩坡上的爬高m；

A——安全加高(設計標準A=0.5m，校核標準A=0.3m)。

b.風浪爬高計算。

風浪爬高按蒲田試驗公式計算：

式中Rm——平均波浪爬高，m；

KΔ——斜坡的糙率滲透性系數(KΔ=0.8)；

m——上游坡的坡度系數(m=3)；

hm——平均波高,m;

lm——平均波長,m。

其中KW、hm、lm計算公式為：

式中W——風速(水面上空10m處10min內的平均風速)，m/s；

H——坡前水深，m；

g——重力加速度。

查《SL 274—2001》表A.1.12-2得：H設=3.31m，H校=3.12m，W設=18.31×0.96×1.5=26.4m/s,W校=18.31×0.96=17.5m/s。由此可得：

KW設=1.29

KW校=1.20

式中D——風區長度，m；

Hm——水域的平均水深；

Tm——平均波周期,s。

5.1.2設計洪水位壩頂超高

D=800m，W=26.4m/s，H設=3.31m，e≈0.031。

經計算：hm=0.35m，Tm=2.63s，lm=10.80m，Rm=0.63m，Rp=1.10m。

壩頂超高Y=1.10+0.031+0.5=1.631(m)。

5.1.3校核洪水位壩頂超高

D=800m，W=17.6m/s，H校=3.92m，e≈0.012。

經計算：hm=0.23m，Tm=2.13s，lm=7.09m，Rm=0.39m，Rp=0.72m。

壩頂超高Y=0.72+0.012+0.3=1.032(m)。

5.2壩頂高程確定

5.2.1設計洪水位壩頂高程

壩頂高程=101.31+1.63=102.94m。

5.2.2校核洪水位壩頂高程

壩頂高程=101.92+1.03=102.95m。

6　主壩穩定驗算

6.1主壩滲透穩定驗算

主壩土料主要為沙壤土或輕壤土，物理力學指標為：濕容重γ濕=18.30kN/m3，飽和容重γ飽=19.7kN/m3，干容重γ干=15.7kN/m3，土壤內摩擦角φ=20°，土粒比重Δ=2.64，孔隙率n=0.393。

6.1.1土體滲透變形類型的判定

依據《水利水電工程地質勘查報告》(GB 50287—99)，土體的滲透變形類型根據土的細粒含量，采用下列方法進行判別。

式中Pc——土的細顆粒含量，以質量百分率計；

n——土的孔隙率(根據地質勘測的結果，n取0.393)。

6.1.2滲透計算

6.1.2.1計算公式

按均質壩不透水地基，設棱體排水，下游無水情況計算土壩浸潤線。根據《中小型水庫設計》計算公式為：

式中h1——浸潤線在下游坡逸出點的高度,m；

L——斷面A-A到排水設備內坡腳的距離,m;

H——壩前水頭,m；

t——水面距壩頂的高度,m;

ε——經驗系數，取0.30;

l——浸潤線進入排水設備的深度，m。

6.1.2.2水庫正常水位時的滲透計算

a.浸潤線計算

水庫正常水位(100.50m)為計算水位時，H=2.50m。

L=0.30×3×2.50+3×3+4+(2.50+3)×

4-7.5=29.75m

表2　浸潤線計算成果

土壩浸潤線圖(見圖1)：

圖1　正常水位時土壩浸潤線 (單位：m)

從土壩浸潤線圖中可以看出，土壩設計斷面滿足滲流要求，距壩坡最小處距離超過了凍層深度，不會造成土壩凍脹破壞。

b.滲透計算

壩體破壞坡降：J破壞=(Δ-1)(1-n)。

式中KB——流土安全系數，KB=2；

Δ——土粒比重，Δ=2.64；

n——土的孔隙率，n=0.393。

則:

J破壞=(2.64-1)(1-0.393)=0.99548

J

6.1.2.3水庫設計水位時的滲透計算

a.浸潤線計算

水庫設計洪水位(101.31m)為計算水位，H=3.31m。

L=0.3×3×3.31+2.19×3+4+

(3.31+2.19)×4-7.5=28.05m

表3　浸潤線計算成果

土壩浸潤線圖(見圖2)：

圖2　設計洪水位時土壩浸潤線 (單位：m)

從土壩浸潤線圖中可以看出，土壩設計斷面滿足滲流要求，距壩坡最小處距離超過了凍層深度，不會造成土壩凍脹破壞。

b.滲透計算

J

6.1.2.4水庫校核水位時的滲流計算

a.浸潤線計算

水庫校核洪水位(101.92m)為計算水位，H=3.92m。

L=0.3×3×3.92+1.58×3+4+

(3.92+1.58)×4-7.5=26.77m

表4　浸潤線計算成果

土壩浸潤線圖(見圖3)：

圖3　校核洪水位時土壩浸潤線 (單位：m)

b.滲透計算

從土壩浸潤線圖中可以看出，土壩設計斷面滿足滲流要求，距壩坡最小處距離超過了凍層深度，不會造成土壩凍脹破壞。

J

6.2主壩下游壩坡穩定驗算

壩坡穩定計算選取大壩標準斷面，壩高6.50m，計算不同運行條件下的壩坡抗滑穩定安全系數是否滿足規范要求，并確認其是否符合大壩穩定條件。

計算公式：

式中Wi——單寬壩長的土條重(Wi=bhiγ)；

b——土條寬度；

hi——土條的平均高度；

γ——土的容重，按有滲透水壓力計算土的容重方法選用；

αi——土條弧邊的弦與水平線的夾角，即切線角；

tgφi——土的內摩擦角φ的正切值，即摩擦系數；

Ci——土的黏結力；

Li——圓弧的長度。

具體計算，按照理正邊坡穩定分析軟件進行穩定計算。計算結果見表5所列。

表5　壩坡抗滑穩定安全系數

注表中[K]值根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)8.3.11規定予以確定。

7　小　結

經過對興隆山水庫壩頂高程復核計算表明：校核洪水位時壩頂高程為102.95m，校核洪水位為101.92m，水庫現壩頂高程為103.50m，防浪墻頂高程為104.3m，說明土壩壩頂高程滿足要求；對興隆山水庫壩坡抗滑穩定計算結果表明，在水庫正常水位、設計洪水位、校核洪水位等各種工況下，大壩抗滑穩定安全系數大于規范允許的安全系數，大壩穩定性滿足規范要求，大壩處于穩定狀態。

建議水庫工程管理單位及主管部門，針對工程存在的主要問題，完善大壩排水體等必要設施，及時進行除險加固和維修養護，確保興隆山水庫安全運行。

Analysis on stability of Xinglongshan Reservoir dam

HAN Lixia

(ZhangwuCountyWaterConservancyTechnologyPromotionCenter,Fuxin123200，China)

Xinglongshan Reservoir has been operated for more than fifty years. The dam has many problems currently. Stability of the dam should be checked again. Stability and safety of the dam should be calculated, thereby ensuring safe operation of reservoir dam. In the paper, main problems of the dam are analyzed according to the operation status of Xinglongshan Reservoir. Dam elevation and dam stability are checked again, thereby providing reference for risk removal and reinforcement project construction in Xinglongshan Reservoir.

Xinglongshan Reservoir; dam; stability; checking; stability calculation

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.018

TV62

A

1005-4774(2016)01-0060-05