土壩滲流及穩(wěn)定分析在水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

溫 州，楊鴻剛，趙玉新

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 土壩的滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算方法

目前，對于土壩的滲流計(jì)算方法分為有限元法和公式法，根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL189—96)，針對小型水利工程可采用簡單實(shí)用的公式法進(jìn)行計(jì)算。對于透水地基滲流計(jì)算采用公式如下:

式中:q 為總單位寬度滲流量，m3/s·m;qD為不透水堤基上求得相同排水的單位寬度滲流量，m3/s·m;k 為壩身滲透系數(shù)，m/s;k0為壩基滲透系數(shù)，m/s;H1為上游水位，m;H2為下游水位，m;h0為下游逸出點(diǎn)高程，m;m1為上游坡坡率;m2為下游坡坡率;T 為透水地基的深度。

浸潤線方程為:

通過計(jì)算，可求得特征水深h0。

不透水地基均質(zhì)土堤坡面滲流比降計(jì)算:

滲出點(diǎn):

堤坡與不透水面交點(diǎn):

壩坡的抗沖刷能力計(jì)算:

壩坡抗沖刷破壞的臨界比降計(jì)算:

式中:γ′為土的浮容重;γw為水的容重;γ 為土的濕容重;φ 為土的水下內(nèi)摩擦角;β 為壩坡的坡角;c 為土的凝聚力;K 為安全系數(shù)。

2 土壩的邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法

目前廣泛被采用的邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法有瑞典條分法、簡化的Bishop 法及JanBu 法等。針對小型土壩工程，可采用考慮條塊間作用力的簡化Bishop 法進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。計(jì)算公式如下:

式中:W 為土條重量;Q、V 為分別為水平和垂直地震慣性力(向上為負(fù)，向下為正);μ 為作用于土條底面的孔隙壓力;α 為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角;b 為土條寬度;c′、φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo);Mc 為水平地震慣性力對圓心的力矩;R 為圓弧半徑。

3 工程實(shí)例

文章針對某均質(zhì)土壩的除險(xiǎn)加固工程，采用上述滲流及邊坡穩(wěn)定分析方法對土壩進(jìn)行計(jì)算。該土壩壩頂寬度約6m，最大壩高約12m，壩頂長度290m，上游邊坡1:1.8 ～1:3.5，下游邊坡1:2 ～1:3。壩體上下游無護(hù)破，壩體斷面極不規(guī)整，壩軸線曲折、現(xiàn)狀壩坡不規(guī)則，上下游壩坡受水流沖蝕破壞嚴(yán)重、壩后無排水設(shè)施。其滲流計(jì)算參數(shù)見表1:

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表 kN·m－3

滲流計(jì)算下游出逸點(diǎn)高度h0按透水地基考慮，據(jù)式(1)、(2)求出;下游壩坡滲透比降按不透水地基考慮，據(jù)式(3)、(4)求出，再由式(5)、(6)求得下游坡的允許滲透比降。滲流計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 壩后坡滲流計(jì)算成果表

通過計(jì)算可以看出，壩后坡滲流出逸點(diǎn)較低，壩后坡出逸比降大于允許比降，故本次設(shè)計(jì)在下游坡坡腳處加設(shè)一層無紡布作為反濾層，防止在坡腳處出現(xiàn)流土等現(xiàn)象。土壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)用理正軟件程序，采用簡化的Bishop 法，在滲流分析的基礎(chǔ)上將孔隙水壓力場引入到邊坡穩(wěn)定計(jì)算中，由試驗(yàn)得出有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′、φ，采用有效應(yīng)力法進(jìn)行穩(wěn)定滲流期的邊坡穩(wěn)定分析。其物理力學(xué)指標(biāo)見表3:

表3 計(jì)算采用的土質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo)表

采用的計(jì)算代表斷面為0+250，現(xiàn)狀斷面上游坡比 為1∶1.5 ～1∶1.2.25，下 游 坡 比 為1∶1.67 ～1∶2.6，分別對現(xiàn)狀各種工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算成果見表4。根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL189—96)，采用本次設(shè)計(jì)的上游坡為1:2.5、下游坡為1∶2.0時(shí)，計(jì)算結(jié)果均滿足抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)正常運(yùn)用條件下K ≥1.25;而現(xiàn)狀壩坡均不滿足規(guī)范要求，因此，本次的設(shè)計(jì)壩坡是可行的。當(dāng)上游壩坡陡于1∶2.5時(shí)，放緩至1∶2.5;當(dāng)下游壩坡陡于1∶2.0時(shí)，放緩至1∶2.0。

表4 壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

4 結(jié) 論

文章采用滲流計(jì)算中的公式法對實(shí)際工程中的土壩進(jìn)行計(jì)算分析，得出下游坡腳處滲透比降＞允許滲透比降，需要在坡腳處進(jìn)行反濾設(shè)計(jì)。采用簡化Bishop 法并考慮孔隙水壓力的影響，應(yīng)用有效應(yīng)力法對壩坡在各種工況下進(jìn)行穩(wěn)定分析，得出現(xiàn)有壩坡不滿足抗滑穩(wěn)定要求，而本次設(shè)計(jì)采用的壩坡符合規(guī)范對抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求。為工程的實(shí)施提供了理論依據(jù)。

［1］陳剛.水庫土壩滲流穩(wěn)定分析及除險(xiǎn)加固措施［J］.黑龍江水利科技，2014，42(02):67－69.