小型水庫大壩穩(wěn)定分析計算

婁健康 李 慧 張玉輝

(1.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450011;2.河南天禹水利工程建設(shè)有限責(zé)任公司，河南信陽 464000)

1 工程概況

某水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖等綜合利用的小(Ⅰ)型水利工程。水庫大壩為均質(zhì)土壩，大壩上游面為干砌塊石護坡。水庫溢洪道位于大壩右側(cè)，緊鄰大壩，為開敞式正堰溢洪道。水庫放水設(shè)施位于水庫右岸，折懸臂表層放水閘，共6孔放水閘門。涵管為人工隧道，進口和出口都為漿砌石結(jié)構(gòu)，無啟閉設(shè)施。經(jīng)過方案比選［1］，選擇在大壩上游壩坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜，并在上游坡腳開挖回填粘土截滲槽，在下游坡腳設(shè)棱體排水的除險加固技施。

2 大壩滲流分析

2.1 大壩滲流計算工況

根據(jù)SL 274-2005碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［2，3］規(guī)定，滲流分析須對以下水位組合的工況進行復(fù)核:1)正常工況:設(shè)計洪水位(648.60 m)穩(wěn)定滲流期;正常水位(647.35 m)穩(wěn)定滲流期。2)非常工況:水位驟降時(由校核水位降至正常蓄水位)非穩(wěn)定滲流期;校核洪水位(649.07 m)穩(wěn)定滲流期。

2.2 大壩允許滲透坡降計算

根據(jù)壩體、壩基土體的級配狀況，確定壩體、壩基可能的滲透變形類型，再根據(jù)壩體、壩基土料的物理性質(zhì)指標(biāo)確定其臨界水力坡降(Jcr)，依據(jù)工程特點及重要性，確定相應(yīng)的安全系數(shù)，求出允許水力坡降(［J］);結(jié)合壩體的運行情況，求出下游壩坡出逸點的出逸水力坡降值(J)，最后進行判別。

2.2.1 判別土體變形類型［4］

1)孔隙直徑法判別:

經(jīng)孔隙直徑法判別為管涌型滲透變形。

2)細粒含量法判別:

d=0.094 7 mm粒徑的細粒含量查級配曲線知P=32%。

經(jīng)細粒含量法判別為管涌型滲透變形，兩種方法判別的結(jié)果一致，故該土應(yīng)屬于管涌型土。

2.2.2 計算允許水力坡降

2.3 大壩穩(wěn)定計算

滲流分析計算斷面為大壩主河槽段最大壩高斷面，樁號0+136.94處。大壩結(jié)構(gòu)計算斷面圖見圖1。

圖1 大壩結(jié)構(gòu)計算斷面圖

將計算斷面各重要節(jié)點導(dǎo)入理正軟件用滲流有限元分析法計算結(jié)果如下:正常水位(647.35 m)穩(wěn)定滲流期正常水位下大壩流網(wǎng)圖見圖2。

圖2 大壩流網(wǎng)圖

出逸點高程:627.508 m;單寬滲流量:0.160 97 m/d;壩體出逸點滲透坡降:0.17;壩址附近滲透坡降:0.10;壩基滲透坡降:0.35。

同理對其他工況進行穩(wěn)定分析，計算所得的水力坡降均小于允許滲流坡降，大壩的浸潤線逸出點都在棱體排水內(nèi)，壩體以及壩基滲流穩(wěn)定均滿足要求。因此，除險加固過后的壩體滿足滲流穩(wěn)定性要求。

3 大壩抗滑穩(wěn)定分析

3.1 計算工況及參數(shù)選取

計算采用北京理正軟件，按有效應(yīng)力計算，計算壩坡抗滑穩(wěn)定采用不計塊間作用力的瑞典圓弧法計算。壩坡抗滑穩(wěn)定最小允許安全系數(shù)在正常運用條件為1.25，非常運用條件一為1.15，非常運用情況條件二為1.10。

穩(wěn)定分析計算工況分為以下幾種:1)正常工況:設(shè)計洪水位(648.60 m)穩(wěn)定滲流時上、下游壩坡穩(wěn)定分析;正常水位(647.35 m)穩(wěn)定滲流時上、下游壩坡穩(wěn)定分析。2)非常工況:水位驟降時(由校核水位降至正常蓄水位)上游壩坡穩(wěn)定分析。校核洪水位(649.07 m)穩(wěn)定滲流時下游壩坡穩(wěn)定分析。3)正常運用遇地震上、下游水位(647.35 m)壩坡穩(wěn)定分析。

3.2 計算方法

根據(jù)SL 274-2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范認可的方法不計條塊間作用力的瑞典圓弧法。該法［5］假定土坡失穩(wěn)破壞滑動面為一圓弧面，計算時將可能滑動面以上的土體劃分成若干鉛直土條，不考慮土條間的相互作用力的影響，據(jù)此，可計算出產(chǎn)生滑動的作用力S和抗滑力T。穩(wěn)定安全系數(shù)K定義為抗力相對于圓心的阻滑力矩與作用力產(chǎn)生的滑動力矩的比值:

1)依據(jù)B.B.方捷耶夫法確定可能產(chǎn)生的滑動面圓心，即在一扇形區(qū)域內(nèi)。其確定方法如下:從壩坡線AB的中點做一條鉛垂線oa和一條與壩坡面成85°夾角的直線ob，然后以o為圓心，分別以R1和R2為半徑，做圓弧于oa線交于a，c兩點，與ob線交于b，d兩點，形成一個環(huán)形面積abdc，最危險滑弧面圓心就可能在這個環(huán)形面積內(nèi)。以表1確定環(huán)形面積的半徑值(H為壩體高度)。

表1 確定環(huán)形面積的半徑值表

2)費蘭紐斯法，在壩坡坡肩A作一條與水平線成β2角的直線，在坡腳B點作一條與壩坡線AB成β1的直線，兩直線相交于M1點。然后從坡腳B點垂直向下量取高度H(H為壩高)，并從該點沿水平方向量取4.5H，得 M點，連接 M和 M1點，得直線MM1，并將其延長到M2點。最危險圓弧滑面圓心就在扇形區(qū)域內(nèi)直線附近，如圖3所示。

圖3 瑞典圓弧原理圖

3)采用SL 274-2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定的瑞典圓弧法計算公式:

4)計算時可以首先假定滑動圓弧過壩址B1點，在直線MM1上分別選定點1，2，3為圓心畫圓弧求解，得出最小K值，假如最小K值圓心在2點，過2點作垂線，再在此垂線上選幾個圓心點如4，5點求解K值，假如在5點求得最小K值，圓心5點即為過壩踵B1最危險圓弧滑動面的圓心。計算時將計算出的K值標(biāo)于圓心之上，連成曲線，從中找出最小的K點。

5)再一次假定滑動圓弧過壩址處B2，B3……按照上面2)的計算方法重復(fù)計算B2，B3……的最小安全系數(shù)，求出的最小的K值即是最危險滑動面的安全系數(shù)Kmin。

3.3 抗滑穩(wěn)定計算成果

以正常水位(647.35 m)上游壩坡穩(wěn)定計算為例，計算結(jié)果簡圖如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定計算結(jié)果圖

計算得:壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.644。同理，計算其他工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)。計算得各工況的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。因此，大壩上下游坡在任何情況下均不存在壩坡不穩(wěn)定的安全隱患問題。

4 結(jié)語

在某水庫大壩經(jīng)過水庫除險加固技施以后，對其進行滲流及穩(wěn)定分析計算，結(jié)果表明:經(jīng)水庫除險加固技施以后，各工況下浸潤線出逸點的滲透比降均小于滲透變形允許水力比降，大壩滲流穩(wěn)定;大壩上游壩坡在任何工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范值，下游壩坡在任何工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范值，大壩抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，抗滑穩(wěn)定安全。

［1］顧慰慈.土石(堤)壩的設(shè)計與計算［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2006.

［2］SL 274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］SL 189-96，小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計導(dǎo)則［S］.

［4］孫明權(quán)，樊 靜.深覆蓋層土石壩滲流性能分析［J］.山西建筑，2012，38(3):234-235.

［5］盧延浩.土力學(xué)［M］.第2版.南京:河海大學(xué)出版社，2005.

［6］天津大學(xué)，林繼鏞.水工建筑物［M］.第4版.北京:中國水利水電出版社，2006.