水源工程土石壩壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性分析

宋強

摘? 要：土石壩作為目前我國水利工程應(yīng)用最為廣泛的壩體，其大壩穩(wěn)定性一直是最為關(guān)切的問題。滲流和滑坡作為影響土石壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，在土石壩設(shè)計過程中必須重點關(guān)注。文章以諾木洪水庫混凝土面板壩為例，分別采用水力學(xué)法和折線法對壩體設(shè)計中的壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，結(jié)果顯示壩體設(shè)計完全滿足規(guī)范要求，設(shè)計壩體穩(wěn)定性較好。文章研究結(jié)果旨在為壩體設(shè)計及大壩穩(wěn)定性控制提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：土石壩;穩(wěn)定性;混凝土面板壩;滲流;壩坡

中圖分類號：TV223.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）25-0077-03

Abstract： Earth-rock dam is currently the most widely used dam in China's water conservancy projects， and its dam stability has always been the most concerned issue. Seepage and landslides are the key factors affecting the stability of earth-rock dams， and must be paid attention to in the design process of earth-rock dams. Taking the concrete slab of Nuomu floodplain as an exemplar， the hydraulics method and the fold line method are used to calculate and analyze the dam body seepage and dam slope stability in the dam design. The results show that the dam design fully meets the requirements of the specification and the dam is designed. Good body stability. The results of this paper are intended to provide a reference for dam design and dam stability control.

Keywords： earth-rock dam; stability; concrete faced rockfill dam; seepage; dam slope

1 概述

我國是世界上擁有水庫大壩數(shù)量最多的國家，特別是近年來，中國水庫大壩發(fā)展進(jìn)入全新階段，而新階段面臨的風(fēng)險和挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻[1]。土石壩是一種常見的壩型，因其施工簡單、成本較低廉、對地質(zhì)條件要求較低，已經(jīng)成為中小水利工程應(yīng)用最為廣泛的壩型[2]。水利工程中大壩的穩(wěn)定性與社會穩(wěn)定、人民生命財產(chǎn)安全息息相關(guān)，隨著水利工程修建速度的加快，大壩失穩(wěn)事故屢次發(fā)生，對社會和人民生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅[2]。土石壩穩(wěn)定性問題主要包括壩體滲流問題及壩坡的穩(wěn)定性問題，其中滲流造成的壩體失穩(wěn)事故占壩體失穩(wěn)總事故的40%以上，已然成為壩體失穩(wěn)的最主要因素，也是在評價壩體設(shè)計穩(wěn)定是否的首選關(guān)鍵因素[1，2]。本文以諾木洪水庫滬混凝土面板壩為例，對壩體設(shè)計的滲流及壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以便確定壩體設(shè)計是否滿足工程需求，壩體設(shè)計是否穩(wěn)定。

2 諾木洪水庫混凝土面板壩簡介

諾木洪水庫位于青海省海西州都蘭縣境內(nèi)的諾木洪河上，該地區(qū)位于青海省柴達(dá)木盆地南部，諾木洪水庫開發(fā)任務(wù)主要是向下游諾木洪農(nóng)場灌區(qū)及宗加鎮(zhèn)新增灌區(qū)提供灌溉供水，協(xié)調(diào)國民經(jīng)濟和生態(tài)用水的矛盾，支撐地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)快速發(fā)展。結(jié)合諾木洪灌溉區(qū)發(fā)展規(guī)劃，確定諾木洪水庫的開發(fā)任務(wù)是灌溉供水，總灌溉面積25.19萬畝。壩址區(qū)為峽谷地形，呈“U”字型，為寬淺河谷，兩岸岸坡順直，天然坡度約30°-45°，壩址上游地區(qū)分布著廣闊的沙地及戈壁，地勢開闊、地形平緩，壩址區(qū)高程約3360m，壩址以上地區(qū)高程3500m-5200m。壩址比選采用相同的工程規(guī)模，即保證生態(tài)基流0.42m3/s，農(nóng)業(yè)供水量7567萬m3，供水保證率75%。根據(jù)壩基條件和筑壩材料情況分析，選擇修建混凝土面板堆石壩，工程屬于Ⅲ等工程，主要建筑物級別3級，設(shè)計最大壩高56.5m，死水位3393.00m，正常蓄水位3405.00m，總庫容3105萬m3。壩體上下游坡度均為1：1.4，壩頂寬度取8m，混凝土面板厚0.3m。

3 壩體滲流穩(wěn)定性分析

混凝土面板壩屬于土石壩的一種，土石壩滲流分析的主要內(nèi)容包括：確定壩體的浸潤線和下游溢出點的位置，確定大壩的滲流量，確定壩坡出逸段出逸坡降以及土層之間的滲透比降，以及確定水庫的水位降落時自由水面位置。綜合滲流分析內(nèi)容，滲流計算應(yīng)該包括各種情況下的水位組合情況，即上游正常蓄水位和下游相應(yīng)的最低水位，上游設(shè)計水位和下游相應(yīng)的水位，以及上游校核水位和下游的相應(yīng)水位。土石壩滲流分析方法主要包括流網(wǎng)法、水力學(xué)法、實驗法和流體力學(xué)法。水力學(xué)法計算簡單，所確定的浸潤線、平均流速、平均坡降、滲流量等，一般能滿足工程設(shè)計要求的精度。本文采用水力學(xué)法進(jìn)行壩體滲流分析。

3.1 計算原理

（1）計算單寬流量

通過面板和防滲墻的滲流量q1：

通過面板后滲流量q2：

式中：δ-面板平均厚度，δ=0.3m;

δ1-防滲墻厚度，δ1=1.0m;

m2-下游邊坡，m2=1.4;

H1-上游水深;

H2-下游水深;

h-面板后滲流水深。

由水流連續(xù)條件q1=q2聯(lián)立求解上兩式可求得：

K、K0、KT-分別為壩身堆石、面板和防滲墻、地基的滲透系數(shù)，其值分別為：

（2）計算總滲流量

式中：q1、q2、…qn-斷面1、2…n的單寬流量;

l1、l2、…ln-相鄰兩段面間的距離。

3.2 滲流計算

（1）正常蓄水位

（2）設(shè)計洪水位

（3）校核洪水位

三種特征水位上下游滲流計算數(shù)據(jù)及計算結(jié)果，見表1和表2，水庫單寬流量和總滲流量較小，滿足規(guī)范要求，故滿足防滲要求。

3.3 滲流穩(wěn)定驗證

滲透水流流過面板后，其水頭大部分已經(jīng)被損耗，壩殼滲透坡降及滲透速度較小，發(fā)生滲透破壞的可能性不大。在壩體逸出點，滲透坡降較大，予以驗算。

材料不均勻系數(shù)η，被用來判別非粘性土的滲透破壞形式。當(dāng)η<10時容易發(fā)生流土; 當(dāng)η>20時容易發(fā)生管涌，允許坡降J=0.1;當(dāng)10<η<20時不定，允許坡降J=0.2。

滲流逸出點坡降計算結(jié)果在表1中，經(jīng)計算，各種工況均滿足要求，因此認(rèn)為不會發(fā)生滲透破壞。

4 土石壩壩坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》（SL228-2013），混凝土面板堆石壩的壩坡，參照已建工程選用，可不進(jìn)行穩(wěn)定分析，當(dāng)?shù)卣鹪O(shè)計烈度為8、9度的壩體，壩基有軟弱夾層或壩基沙礫石中存在細(xì)砂層、粉砂層或粘性土夾層，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)穩(wěn)定分析[3]。本次設(shè)計中，壩址區(qū)地震烈度為8度，壩基沙礫石層較厚，故進(jìn)行壩體穩(wěn)定分析，且僅對主堆石區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定分析。

混凝土面板堆石壩的穩(wěn)定分析，通常只針對上下游邊坡。由于面板堆石壩的壩體上游面鋪設(shè)面板防滲，其后堆石體透水性大，因而堆石體內(nèi)侵潤線很低，不存在水的滲透壓力和孔隙水壓力等問題，這對下游壩坡穩(wěn)定非常有利。混凝土面板堆石壩穩(wěn)定分析通?？刹捎谜劬€法，本次設(shè)計，針對上游面板與主堆石區(qū)接觸面，進(jìn)行穩(wěn)定分析，方法采用折線法，見圖1。假定任一滑動面OAB，A點在上游水位延長線上。以鉛直線AC將滑動土體分為兩塊，AC上部塊重量為W1，AC下部塊重量為W2，假定條塊間作用力為P1，其方向平行AB面，兩塊土體底面的抗剪強度分別為φ1、φ2。則ACFB土塊的平衡式為：

壩坡的最危險滑動面的安全系數(shù)：對α1、α2和上游水位三個因素進(jìn)行不同的組合方式，經(jīng)多次計算，求出在某水位下的最小穩(wěn)定安全系數(shù)。對于壩體自重，在浸潤線以上的土體，按濕重度計算，浸潤線以下的土體，按飽和重度計算。本設(shè)計中濕重度γ濕=19（N/m3），飽和重度γ飽=22.6（N/m3），φ1=φ2=φ=42°。穩(wěn)定計算中需選取不利工況和不利部位進(jìn)行穩(wěn)定計算，本設(shè)計中，對上游坡分別計算以下幾種工況下的安全系數(shù)：正常蓄水位情況（正常運用條件）、校核洪水位情況及校核洪水位降落至死水位以下的情況（非常運用條件Ⅰ）。通過計算，在不同工況下的最小安全系數(shù)分別為1.304、1.313和1.262，均滿足《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）中對壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)3級工程規(guī)定[4]。

5 結(jié)束語

混凝土面板堆石壩抗震性能好，不會因為地震產(chǎn)生孔隙水壓力;對地形和地質(zhì)具有良好的適應(yīng)能力，施工簡便，受氣候影響較小;壩坡穩(wěn)定性好，壩體滲透性好，幾乎不受滲透力影響。在壩體設(shè)計中進(jìn)行滲流分析和壩體穩(wěn)定性分析，對評估大壩滲流損失及發(fā)生失穩(wěn)事故的概率提供了重要依據(jù)，必須采用正確的計算和評價方法，以便獲取準(zhǔn)確可靠的評價數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳丹蕾，魏海，金格飛.關(guān)于水庫壩體滲流與壩坡穩(wěn)定的研究[J].價值工程，2018（8）：253-254.

[2]唐超.路俄水庫土石壩滲流與穩(wěn)定分析[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

[3]中華人民共和國水利部.SL228-2013混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[4]中華人民共和國水利部.SL274-2001碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.