東臺子水庫壩體穩定分析

王阿敏，賈慶穩

（1.遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110003；2.遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

東臺子水庫樞紐工程位于內蒙古赤峰市林西縣新城子鎮下場鄉，西拉木倫河與一級支流葦塘河匯合口下游，控制流域面積10764.4 km2，總庫容3.21×108m3。西拉木倫河流域屬于大興安嶺南段山地與燕山山脈交匯處，境內以山地、丘陵為主，地勢呈西北高、東南低，最高點海拔高度為1880 m，最低點西拉木倫河河谷，海拔高度為645 m。

東臺子水庫所在的工程區位于華北地臺與興蒙古生代地槽褶皺系分界的北側，屬于內蒙古中部地槽褶皺系、蘇尼特右旗晚華力西褶皺帶、哲斯—林西復向斜。西拉木倫河斷裂位于華北地臺與興蒙古地臺分界處，該斷裂規模較大。工程區位于西拉木倫河斷裂帶及影響范圍內，經研究分析該斷裂為古老非活動性斷裂。依據壩址區地層結構特征及清基厚度，將工程區分為山前堆積段、階地段、低漫灘及河床段、右岸高漫灘段。由于壩體長，地形變化大，覆蓋層厚度不一，壩基地層巖性有差異，壩高及壩體荷載差異均較大，沿壩軸線方向存在不均勻沉降問題，

本文利用里正巖土計算及Midas GTS NX 巖土通用有限元分析軟件對大壩壩體進行穩定分析，進行滲流及滲透穩定計算、壩體穩定計算、壩體、壩基應力及變形計算[1]。

2 壩體基本模型

東臺子水庫是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉和發電為建設任務的綜合利用大（二）型Ⅱ等水利樞紐工程。主要建筑物有：瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸泄洪建筑物、引水建筑物、電站和魚道等。

主壩壩型選用瀝青混凝土心墻堆石壩，堆石壩主要坐落在河床及左側階地段，壩頂高程678.53 m，最大壩高45.8 m。建筑物的洪水標準設計100 a 一遇，校核2000 a 一遇。抗震設防烈度采用地震基本烈度為Ⅵ度，設計地震動峰值加速度采用場地50 a 超越概率10%地面水平地震動峰值加速度為0.06g。

圖1 堆石壩典型斷面圖

堆石壩典型斷面見圖1。堆石壩上游坡比1∶1.7，高程668.0 m 以上采用干砌料石護坡，高程668.0m 以下采用1.0 m厚大塊石理砌塊石護坡，上游不設馬道；下游坡比為1∶1.7，采用框格混凝土碎石護坡，護坡厚度為0.3 m。在大壩下游壩坡高程660 m 處設置2.0 m 寬馬道。

壩體中部偏上游側設置一道瀝青混凝土心墻，心墻頂高程為676.50 m，厚度為0.50 m，心墻上部與鋼筋混凝土防浪墻相接，下部與基礎混凝土防滲墻相連，最大高度為42.60 m。心墻兩側設兩層過渡層。第一層過渡層鋪設水平寬度2.0 m 厚的砂礫石，頂高程與瀝青心墻相同；第二層過渡層為臺階狀，頂高程672.3 m，水平寬度2.0 m，在高程650.0 m 處擴展為4.0 m，在高程642.0 m 處擴展為6.0 m。心墻與基礎混凝土防滲墻連接時，在相接處設置混凝土基座，基座呈倒“凸”字型，加厚的瀝青混凝土心墻座落于基座上。

碾壓式瀝青混凝土心墻在國內應用較多，特別是最近幾年現代化的專用攤鋪碾壓設備應用較多，加快了施工速度，提高了施工質量，施工工藝先進并且施工質量容易保證，選用碾壓式瀝青混凝土心墻作為土石壩的防滲體[2]。

3 堆石壩整體穩定

3.1 滲流及滲透穩定計算

根據規范規定，應采用數值法進行滲流計算。選擇具有代表性的五個典型斷面1-1（樁號主壩0+209）、2-2（樁號主壩0+397）、3-3（樁號主壩0+787）、4-4（樁號主壩1+080）、5-5（樁號主壩1+208），作為平面穩定滲流計算問題進行處理，并利用分段綜合的方法計算主壩滲流量，分別對正常蓄水位和設計水位下大壩的滲流穩定開展計算。兩種計算工況基本指標如下：①正常蓄水位：上游水位672.3 m，下游水位635.50 m；②設計洪水位：上游水位673.75 m，下游水位636.87 m。

近似取滲透系數水平和垂直方向相等。心墻料、壩殼料滲透系數選擇見表1。

表1 滲透系數取值表

滲漏量計算選取正常蓄水位時計算工況；滲透穩定計算選取設計洪水位時計算工況。

土石壩正常蓄水位時滲漏量為：Q=61.2 萬m3/a。主壩浸潤線及主壩最小k 值滑弧位置見圖2。

圖2 正常水位浸潤線及穩定滑弧圖

堆石壩下游壩坡不會出現滲透破壞的問題，故只計算壩基處的滲透坡降。依據經過滲流計算成果繪制成流網圖，分析后計算得出壩基處的滲透坡降。得出壩基表面的最大出逸比降為J=0.06<[J]=0.27，是滿足要求的[3]。

3.2 穩定計算

土石壩抗滑穩定安全系數成果見表2。

計算成果表明：設計選定的壩坡，其抗滑穩定滿足規范要求。

3.3 壩體、壩基應力及變形計算

采用《巖土通用有限元分析軟件Midas GTS NX》計算，該程序由北京邁達斯技術有限公司編制。

本次采用了鄧肯E-B 模型進行心墻壩二維有限元計算。壩殼料、砂礫石過渡料、基礎墊層料和瀝青混凝土心墻料等，也同樣采用鄧肯E-B 模型本構模型。防滲墻及基座選用線彈性材料，混凝土標號為C25[4]。靜力計算參數見表3～表6。防滲墻厚度為1.0 m。防滲墻、心墻、基座全部選取四邊形單元，壩體選取四邊形、少量退化的三角形單元。心墻、基座、過渡料、防滲墻與覆蓋層地基土交界面等位置選用4 節點Goodman 單元。本構關系（接觸面）選用鄧肯和克拉夫提出的雙曲線模型，典型斷面有限元網格見圖3。

表2 土石壩上、下游壩坡抗滑穩定安全系數

圖3 典型斷面的整體有限元模型

表3 筑壩材料靜力計算參數

表4 覆蓋層地基土靜力計算參數

表5 泥皮靜力計算參數

表6 混凝土材料靜力計算參數

模擬壩體填筑和蓄水有限元荷載步，將其分成19 級，大壩的施工過程進行分層模擬，第十九步為竣工期。將壩體填筑完成，開始穩態滲流分析，得到滲流計算的結果，進行提取，然后施加在壩體進行下一步的應力計算。

壩體及心墻計算結果見表7。

表7 計算最大值（應力以壓為正）

1）壩體位移

竣工期壩體分別向上、下游變形，中心線為心墻和防滲墻，水平向上游位移最大值為0.18 m，水平向下游位移最大值為0.16 m；壩體豎向沉降基本上呈對稱分布，心墻和防滲墻為中心線，最大值豎向沉降值為0.76 m[5]。滿蓄期，壩體向上游變形區域和數值減小，最大值為0.09 m；向下游變形區域和數值增大，最大值為0.25 m；壩體沉降最大為0.62 m，較竣工期有所降低[6]。

最大沉降發生在壩殼與覆蓋層交界處，表明地基模量對大壩變形影響較大，可采取一定的工程措施提高壩基密實指標，減小壩基的沉降。

2）心墻應力

竣工期心墻最大壓應力為4.58 MPa，滿蓄期心墻最大壓應力為1.81 MPa，最大壓應力部位位于心墻底部，心墻未出現拉應力，豎向應力大于水壓力，不會發生水力劈裂或拉裂現象[7]。

4 結語

本文以東臺子瀝青混凝土心墻堆石壩為研究對象，通過不同工況下大壩滲流穩定計算分析，得出如下結論：東臺子水庫覆蓋層最大深度達122 m，水平層次顯著且具有強滲漏帶，選用施工工藝先進并且施工質量容易保證的碾壓式瀝青混凝土心墻作為土石壩的防滲體，保證了壩體滲漏及滲流安全[8]。為保證壩體整體變形協調，在瀝青混凝土心墻上下游側與壩殼堆石料之間設置兩層砂礫石過渡料，并將第二層過渡料階梯型布置，充分發揮其變形過渡作用，可為同類工程的設計提供參考和方案借鑒。

因現場取樣和試驗誤差等多種原因，有限元計算參數無法完全擬合實際的物理參數，在施工及運行過程中，還應加強對壩體應力和變形的監測，為工程的安全復核和現場管理提供依據。