垅頭水庫大壩壩體抗滑穩(wěn)定性分析

林文鋒

(福建省安溪縣水利局，福建安溪362400)

1 水庫概況

垅頭水庫位于安溪縣城廂鎮(zhèn)墩坂村，屬晉江西溪英溪支流，水庫壩址以上流域面積0.84 km2，總庫容34.4萬 m3，其中防洪庫容7.29萬m3，興利庫容21.21萬m3，死庫容5.9萬m3。是一座以灌溉為主，結(jié)合養(yǎng)殖等綜合效益的小(2)型水庫。工程于1959年10月建成，2001年10月，大壩壩體灌泥漿加固、防治蟻患。2003年底，由于放水設(shè)備損壞，水庫限制水位。2007年5月，大壩壩體迎水坡澆筑混凝土面板防滲，處理放水設(shè)備。水庫設(shè)計(jì)灌溉面積80 hm2，現(xiàn)實(shí)際灌溉面積53.3 hm2。

2 壩體穩(wěn)定計(jì)算方法介紹

土壩體積很大，在水壓力作用下整個(gè)壩體產(chǎn)生水平滑動(dòng)的可能性通常不存在，故僅需核算上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定。一般分施工期、穩(wěn)定滲流期和庫水位降落期3種類型。土壩的抗滑穩(wěn)定主要由土壩的抗剪強(qiáng)度決定，土體抗剪強(qiáng)度式1確定:

式中:τ為土體抗剪強(qiáng)度;c'土體內(nèi)黏聚力;σ為垂直于滑動(dòng)面的法向總應(yīng)力;u為孔隙水壓力;σ'為法向有效應(yīng)力;σ'、φ'為土料有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分別代表凝聚力和內(nèi)摩擦角，由試驗(yàn)確定。

計(jì)算壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算的方法有瑞典圓弧法、簡(jiǎn)化畢肖普和蒙哥斯特-普萊斯等方法，各種方法具有其各自的特點(diǎn)，考慮的因素有所不同，垅頭水庫采用簡(jiǎn)化畢肖普方法計(jì)算，本文因此重點(diǎn)討論簡(jiǎn)化畢肖普法在垅頭水庫壩體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用。

3 簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算壩體抗滑穩(wěn)定性

3.1 方法介紹

穩(wěn)定計(jì)算斷而選取最大斷面，大壩穩(wěn)定計(jì)算采用《土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序》。該程序按照“水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”、“碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范”編制，并參考了“土壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算程序”，程序在計(jì)算方法方面采用簡(jiǎn)化必肖譜法。其計(jì)算公式為:

式中:R0為滑弧半徑;Mc為水平向地震慣性力(ΣDh)對(duì)圓心的力矩。

式中:Σh為某一土條的總高度;ΣDh(ΣDv)為某一土條的水平(垂直)地震力總和，按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定數(shù)據(jù)采用;α為土條底面中點(diǎn)處切線與水平線的夾角:z為壩坡處水位高出土條底面中點(diǎn)的距離，采用總應(yīng)力法，此項(xiàng)計(jì)零;γ0為水容重(γ0=1);Us為在條塊底而中點(diǎn)處的孔隙水壓力值，采用總應(yīng)力法，此項(xiàng)計(jì)零:C、Φ為土的強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)采用計(jì)算方法而定;為計(jì)算抗滑滑動(dòng)時(shí)單位寬度土條的重量。

3.2 計(jì)算工況選擇

大壩壩型為均質(zhì)土壩，壩基高程為20.00 m，最大壩高為10.50 m，壩頂長(zhǎng)137.0 m，壩頂寬9.0 m。水庫采用洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位為29.75 m，300 a一遇洪水校核，相應(yīng)校核洪水位為30.30 m，正常蓄水位為28.80 m，死水位為22.40 m。壩面高程30.50 m。迎水坡坡比1∶1.5，背水坡坡比1∶2.0。

針對(duì)垅頭水庫水文變化特點(diǎn)及壩體特性，分3種運(yùn)行情況及下屬九種運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，具體見表1。

表1 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算工況

3.3 各種工況下大壩穩(wěn)定安全系數(shù)A

大壩為均質(zhì)士壩，大壩土體主要物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)工程地質(zhì)鉆探及試驗(yàn)資料，選取表2中數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

表2 壩體主要物理指標(biāo)

利用簡(jiǎn)化畢肖普法結(jié)合上述數(shù)據(jù)對(duì)每種工況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算。水庫大壩屬于5級(jí)建筑物，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)定，采用計(jì)條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，正常工況下的安全系數(shù)≥1.25;非常運(yùn)用I工況下不考慮地震影響安全系數(shù)≥1.15;非常運(yùn)用II工況下考慮地震影響安全系數(shù)≥1.10。計(jì)算結(jié)果結(jié)果見表3。

表3 各種工況下大壩穩(wěn)定安全系數(shù)表

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

1)從表3中可以看出，大壩各工況的穩(wěn)定安全系數(shù)均能夠滿足規(guī)范規(guī)定的要求。因此，大壩的穩(wěn)定性理論上是能夠達(dá)到規(guī)范要求的。因此，壩坡穩(wěn)定，不需要對(duì)壩坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定處理［1］。

2)比較工況2、4、6，其上游庫水位逐漸升高，穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低，對(duì)此現(xiàn)象可作如下解釋:上游庫水位升高，壩體內(nèi)部浸潤線隨之上移，下游壩坡局部摩擦力較小，由于整個(gè)下游壩坡處于凌空面，故整體抗滑穩(wěn)定能力減弱，安全系數(shù)減小。

3)比較工況1、5、7，工況7的安全系數(shù)明顯小于前兩者，說明水位驟降對(duì)安全系數(shù)的影響很大，其原因?yàn)樗惑E降，壩體內(nèi)部的水體未能及時(shí)排出，導(dǎo)致壩體抗剪能力減弱，同時(shí)處于凌空面，穩(wěn)定性降低。故在實(shí)際工程應(yīng)對(duì)水位驟降給予足夠的重視。

4)對(duì)比工況1和8及2和9，地震導(dǎo)致壩體的安全系數(shù)明顯降低，對(duì)壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。故在工程設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮地震(非常荷載)作用，選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)等級(jí)。

4 結(jié)語

利用簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)垅頭水庫壩體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明，垅頭水庫壩體滿足穩(wěn)定性要求，安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值;同時(shí)，對(duì)比個(gè)工況計(jì)算結(jié)果，可以得出:上游庫水位變化與下游壩坡安全系數(shù)變化趨勢(shì)相反;水位驟降對(duì)上游壩坡抗滑穩(wěn)定性影響大，工程管理運(yùn)行時(shí)應(yīng)十分注意;地震(非常荷載)對(duì)壩體穩(wěn)定性影響巨大，工程設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮，以免造成不可估量的損失。

［1］溫中華，周娟，熊秋曉.重力壩抗滑穩(wěn)定分析［J］.人民黃河，2008(12):114-115.