雞姆塘水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固滲流與壩坡穩(wěn)定分析

周子宜

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣東 茂名 525000)

1 工程概況

雞姆塘水庫(kù)位于高州市鎮(zhèn)江鎮(zhèn)，是一個(gè)以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪功能的小(2)型水庫(kù)工程，總庫(kù)容為13.08萬(wàn)m3。

雞姆塘水庫(kù)現(xiàn)狀主要建筑物包括大壩、溢洪道、輸水涵等，其中，大壩為均質(zhì)土壩，溢洪道為正槽開(kāi)敞式溢洪道，輸水涵管為壩下涵管形式。主要建筑物級(jí)別均為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。溢洪道位于大壩壩肩右側(cè)，為開(kāi)敞式溢洪道，無(wú)閘控制，過(guò)流寬度為2.20 m，兩側(cè)擋墻為磚砌結(jié)構(gòu)，高1.30 m。輸水涵管位于大壩左側(cè)，采用斜臥管式進(jìn)水口，壩下涵管為Φ800鋼筋混凝土涵管，直徑為0.80 m，長(zhǎng)度為26 m。雞姆塘水庫(kù)大壩經(jīng)除險(xiǎn)加固后，大壩總長(zhǎng)115 m，最大壩高為8 m，壩頂寬度約5 m。

雞姆塘水庫(kù)大壩由素填土組成。壩基主要由粉質(zhì)黏土層和全風(fēng)化變質(zhì)砂巖層組成。粉質(zhì)黏土層厚度2.9～3.4 m，層底高程為30.37～30.48 m，基礎(chǔ)承載力特征值為130 kPa，天然含水量為29.2%～31.3%，平均值為30.3%；孔隙比0.89～0.95；塑性指數(shù)為13.40～13.87，平均值為13.64。全風(fēng)化變質(zhì)砂巖層為磚紅色、黃褐色，全風(fēng)化砂土狀，巖體風(fēng)化劇烈，巖芯多呈散體狀，標(biāo)貫擊數(shù)為34擊/30 cm。該層揭露厚度2.2～2.9 m，層底高程為24.38～24.67 m。

本文對(duì)經(jīng)過(guò)除險(xiǎn)加固后的雞姆塘水庫(kù)大壩進(jìn)行滲流與壩坡穩(wěn)定計(jì)算，具體而言，選取雞姆塘水庫(kù)大壩典型斷面，采用二維滲流有限元法進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算分析，并采用剛體極限平衡法中的簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。雞姆塘水庫(kù)大壩典型斷面如圖1所示。

2 大壩壩頂高程復(fù)核

雞姆塘水庫(kù)大壩等級(jí)為5級(jí)，根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 189—2013)[1]，壩頂在水庫(kù)靜水位以上的超高計(jì)算如式(1)：

Y=R+A

(1)

式中：Y為壩頂超高，m；R為波浪沿著壩坡的最大爬高，m；A為安全加高，m，對(duì)于 4級(jí)、5級(jí)壩，設(shè)計(jì)工況取0.5 m，校核工況取0.3 m。

2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

(1)風(fēng)速W。庫(kù)區(qū)無(wú)實(shí)測(cè)氣象資料，采用高州市多年平均年最大風(fēng)速為14.6 m/s。根據(jù)規(guī)范SL 189—2013規(guī)定：正常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，即21.9 m/s。非常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速14.6 m/s。

(2)吹程D為80 m。

(3)水域平均深度Hm。設(shè)計(jì)水位條件下，水庫(kù)靜水位40.05 m，水域平均深度6.84 m；校核水位條件下，水庫(kù)靜水位40.25 m，水域平均深度7.03 m。

(4)波浪爬高R。根據(jù)規(guī)范SL 189—2013，對(duì)于4級(jí)、5級(jí)壩，應(yīng)先計(jì)算平均波浪爬高值Rm，再根據(jù)平均波高與壩前迎水面水深的比值(hm/H)，查得Rp/Rm比值，從而求得累計(jì)頻率爬高值Rp。雞姆塘水庫(kù)按正向來(lái)波單坡考慮，迎水坡坡度m為2.25，平均波浪爬高Rm計(jì)算如式(2)：

(2)

式中：KΔ為斜坡糙率滲透性系數(shù)，取0.90；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Lm為平均波長(zhǎng)，m。其中，平均波高h(yuǎn)m、平均波長(zhǎng)Lm采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算[2]。

2.2 計(jì)算結(jié)果

壩頂高程等于水庫(kù)靜水位與超高之和，并按不同運(yùn)行條件計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果的較大值，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。水庫(kù)大壩工程所在地區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震安全加高值取0.6 m。

表1 大壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果

由表1可知，對(duì)水庫(kù)大壩三種工況進(jìn)行壩頂高程復(fù)核，水庫(kù)設(shè)計(jì)工況時(shí)，水庫(kù)壩頂高程為41.01 m，校核工況時(shí)，壩頂高程為40.79 m，地震工況時(shí)，壩頂高程為41.03 m。雞姆塘水庫(kù)大壩經(jīng)除險(xiǎn)加固后的壩頂高程為41.10 m，壩頂高程復(fù)核滿足要求。

3 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

3.1 滲流計(jì)算工況

按規(guī)范(SL 274—2020)[3]規(guī)定，對(duì)以下水位組合的工況進(jìn)行計(jì)算：

工況一：上游正常蓄水位39.55 m時(shí)形成的穩(wěn)定滲流情況。

工況二：上游設(shè)計(jì)洪水位40.05 m時(shí)形成的穩(wěn)定滲流情況。

工況三：上游校核洪水位40.24 m時(shí)形成的穩(wěn)定滲流情況。

工況四：正常蓄水位39.55 m降至死水位35.30 m時(shí)形成的非穩(wěn)定滲流情況。

3.2 地質(zhì)參數(shù)

大壩典型斷面各區(qū)巖土層的滲透系數(shù)根據(jù)相關(guān)勘測(cè)資料進(jìn)行取值，大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算所選用的地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值

3.3 滲流計(jì)算方法

采用二維滲流有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算分析，計(jì)算程序?yàn)槔碚龓r土中的有限元滲流計(jì)算軟件，計(jì)算方法為有限元法，主要依據(jù)是非飽和土理論[4]、達(dá)西定律[5]等。

2.3.1 二維滲流有限元法原理

對(duì)于穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均勻各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程，如式(3)[6]：

(3)

式中：φ=φ(x，y)為待求水頭勢(shì)函數(shù)；x，y為平面坐標(biāo)；kx，ky分別為x，y方向的滲透系數(shù)。水頭φ還需要滿足一定的邊界條件，一般包括以下幾種邊界條件：

(1)上游邊界水頭已知φ0的情況如式(4)：

φ=φ0

(4)

(2)逸出邊界水頭和位置高程z已知的情況如式(5)：

φ=z

(5)

(3)某邊界上滲流流量q已知的情況如式(6)：

(6)

式中：lx和ly為邊界表面向外法線在下x，y方向的余弦。

將滲流場(chǎng)用有限元離散，假定單元滲流場(chǎng)的水頭勢(shì)函數(shù)φ為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件確定問(wèn)題的變分形式，可得到穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算如式(7)所示：

[H]{φ}={F}

(7)

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場(chǎng)水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解以上方程組便可以得到節(jié)點(diǎn)水頭，在此基礎(chǔ)上求得單元的水力坡降、流速等物理量。求解滲流場(chǎng)的關(guān)鍵步驟是確定浸潤(rùn)線的位置。本文計(jì)算軟件采用的是理正巖土中的有限元滲流計(jì)算軟件，其用改進(jìn)平方根法直接求解以上滲流計(jì)算方程組，從而可以確定多種邊界條件下的大壩浸潤(rùn)線位置。

3.4 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)擬定的邊界條件對(duì)雞姆塘水庫(kù)大壩進(jìn)行滲流分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 雞姆塘水庫(kù)大壩滲流計(jì)算成果

《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[7]規(guī)定：當(dāng)滲流出口處設(shè)有濾層時(shí)，允許滲透比降按土的允許滲透比降可增大30%。由滲流計(jì)算結(jié)果可知：各個(gè)工況下，雞姆塘水庫(kù)大壩的滲流出逸位置均在下游排水棱體內(nèi)，出逸比降均小于設(shè)有反濾層時(shí)的允許水力比降，因此，雞姆塘水庫(kù)大壩的滲流是安全的。

4 大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算

4.1 壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況

雞姆塘水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算斷面與滲流穩(wěn)定計(jì)算的斷面一致。根據(jù)規(guī)范SL 189—2013[7]，結(jié)合該水庫(kù)運(yùn)行中實(shí)際可能出現(xiàn)的不利情況，擬定計(jì)算工況如表4所示：

表4 雞姆塘水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況

4.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算方法

計(jì)算采用剛體極限平衡法中的簡(jiǎn)化畢肖普法，計(jì)算軟件采用理正巖土系列軟件中的“邊坡穩(wěn)定分析軟件”。

瑞典條分法[8]和簡(jiǎn)化畢肖普法[9]是在巖土工程領(lǐng)域計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)用最為廣泛的兩種方法，都屬于極限平衡法的一種。其中，簡(jiǎn)化畢肖普法是在邊坡土體中取一圓弧滑動(dòng)體，當(dāng)土體內(nèi)部所受剪應(yīng)力大于其最大抗剪應(yīng)力時(shí)，土體就會(huì)沿著此圓弧滑動(dòng)面發(fā)生破壞。

4.3 大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果

各種工況下，大壩的邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 雞姆塘水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由表5可知：雞姆塘水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)出現(xiàn)在考慮地震作用，正常蓄水位時(shí)形成穩(wěn)定滲流的情況下，最小邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.24，小于規(guī)范規(guī)定的允許值1.25，因此，雞姆塘水庫(kù)大壩壩坡在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位以及考慮地震作用下的正常蓄水位形成穩(wěn)定滲流的情況下，其上下游壩坡均能保持穩(wěn)定[10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)經(jīng)除險(xiǎn)加固后的雞姆塘水庫(kù)大壩進(jìn)行滲流和壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析，評(píng)估其能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)分析，雞姆塘水庫(kù)大壩滿足滲流和壩坡穩(wěn)定要求，安全穩(wěn)定。