糯扎渡高土石壩心墻類型對壩坡穩(wěn)定影響研究

郭冬芬 王俊芳

摘 要：依據(jù)糯扎渡實際工程，總結(jié)高土石壩心墻類型對壩坡穩(wěn)定的影響，并依據(jù)計算結(jié)果對高土石壩壩坡穩(wěn)定安全評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步探討。直心墻和斜心墻各工況下安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，壩坡穩(wěn)定不是影響高土石壩修建的決定性因素。斜心墻上向下的滲透力分量較大，增加了心墻下游側(cè)的應(yīng)力從而使得斜心墻方案壩坡危險滑裂面位置較直心墻方案距壩頂稍近。

關(guān)鍵詞：高土石壩；心墻類型；壩坡穩(wěn)定；安全系數(shù)；

引言

糯扎渡心墻土石壩是我國第一批建造的超高200m的土石壩[1]，當(dāng)時尚無修建200m級以上的心墻土石壩的成熟技術(shù)和經(jīng)驗，國外可借鑒的是經(jīng)驗也很少，糯扎渡200m級以上心墻土石壩屬于特殊、重要的的土石壩，其設(shè)計不能簡單的套用現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，必須進(jìn)行專門的研究，建立相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則及安全評價系統(tǒng)。從已建200m級高土石壩的建設(shè)經(jīng)驗來看，大壩的安全運(yùn)行主要取決于壩坡的抗滑穩(wěn)定、筑壩材料的滲透穩(wěn)定，以及壩體變形穩(wěn)定，而其中土石壩壩坡及壩體在設(shè)計及運(yùn)行期的穩(wěn)定性則是設(shè)計中最為關(guān)鍵的因素。壩體的抗滑穩(wěn)定與壩體的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平密切相關(guān)，在一定的外力水平條件下心墻的類型是影響壩體應(yīng)力狀態(tài)的主要因素。

世界上已建的壩高在200m以上的心墻土石壩中，有4座采用直心墻，其余7座均采用斜心墻的形式，本文以糯扎渡土石壩為依托，對心墻土石壩的直心墻和斜心墻兩種心墻形式對壩坡穩(wěn)定的影響進(jìn)行比較研究。

一、工程基本資料

糯扎渡水電站[2]是瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃的第五級，樞紐位于云南省普洱市翠云區(qū)和瀾滄縣境內(nèi)，糯扎渡水電站工程主要以發(fā)電為主，兼有下游城市、農(nóng)田防洪及改善航道的綜合利用任務(wù)。糯扎渡壩址區(qū)河道總體比較順直，兩岸谷坡較陡，河谷斷面呈不對稱的V形。巖體結(jié)構(gòu)多為碎裂、鑲嵌碎裂和散體結(jié)構(gòu)，在心墻部位壩基巖體質(zhì)量以IVa和IVb類為主。

壩體為礫質(zhì)土直心墻壩，心墻兩側(cè)為反濾層，反濾層以外為堆石體壩殼。壩頂寬為18m，心墻基礎(chǔ)建基面高程560m，最大壩高261.5m，上游壩坡坡度1：1.9，下游壩坡坡度為1：1.8，壩體典型剖面如圖1所示。

圖1 糯扎渡壩體典型剖面圖

二、計算參數(shù)

土石壩堆石料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有明顯的非線性特點(diǎn)，一般來說上覆土體每增加50cm，其內(nèi)摩擦角減少8°～10°。因此對堆石材料使用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析，已成為壩工界的共識。水利部頒發(fā)的“碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范”規(guī)定對堆石料進(jìn)行非線性強(qiáng)度穩(wěn)定分析。糯扎渡心墻壩壩料參數(shù)確定過程中收集了國內(nèi)外37個重要水利工程壩體硬巖和軟巖堆石料的三軸固結(jié)排水實驗資料，并用矩法和線性回歸方法統(tǒng)計了堆石料抗剪強(qiáng)度線性指標(biāo)鄧肯非線性對數(shù)指標(biāo)與德邁洛非線性指標(biāo)的參數(shù)，得到了水利工程大壩堆石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的一般分布規(guī)律，其中統(tǒng)計得到的硬巖堆石料的鄧肯非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1壩料物理性質(zhì)指標(biāo)計算參數(shù)

壩料 干密度（g/cm3） 比重 滲透系數(shù)（cm/s） 孔隙率（%） φ0（°） Δφ（°）

I區(qū)堆石料 2.00 2.63 5×100 24 53.12 11.26

II區(qū)堆石料 2.11 2.70 8×10-2 22 50.91 10.32

摻礫土料 1.90 2.68 2×10-6 37.91 10.34

細(xì)堆石過渡料 2.04 2.61 2×10-1 22 52.00 7.8

I區(qū)反濾層 1.94 2.61 2×10-3 51.35 8.7

II區(qū)反濾層 1.89 2.61 4×10-1 52.60 10.16

本文采用STAB程序分別對糯扎渡大壩直心墻土石壩和斜心墻土石壩的最大壩剖面進(jìn)行各種工況壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了計算，各種工況下安全系數(shù)均應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范相應(yīng)的要求。正常蓄水期安全系數(shù)大于1.5，竣工期和庫水位驟降時大于1.3，地震時安全系數(shù)大于1.2。計算方法為畢肖普法。

三、計算結(jié)果

3.1壩坡穩(wěn)定

在考慮壩坡穩(wěn)定分析時分為7個工況條件進(jìn)行計算，計算工況和計算成果見表3。

表3 糯扎渡不同心墻類型穩(wěn)定分析最小安全系數(shù)計算結(jié)果表

運(yùn)行工況 計算工況 安全系數(shù)

編號 工 況 說 明 直心墻 斜心墻

正常 ① 穩(wěn)定滲流期下游壩坡，上下游正常水位 1.675 1.699

② 穩(wěn)定滲流期上游壩坡，最不利庫水位 1.997 1.884

非常Ⅰ ③ 竣工期上游壩坡，上、下游無水作用 2.073 1.970

④ 竣工期下游壩坡，上、下游無水作用 1.869 1.859

⑤ 庫水位由正常水位驟降至死水位的上游壩坡 1.800 1.691

非常Ⅱ ⑥ 工況①遭遇0.283g地震 1.423 1.456

⑦ 工況②遭遇0.283g地震，最不利庫水位 1.589 1.512

計算成果表明，無論直心墻土石壩還是斜心墻土石壩，計算最小安全系數(shù)均大于允許安全系數(shù)，表明壩體是穩(wěn)定安全的。壩坡穩(wěn)定并不是影響高土石壩修建的決定性因素，現(xiàn)行土石壩設(shè)計規(guī)范對壩坡抗滑穩(wěn)定的規(guī)定可以用來指導(dǎo)設(shè)計超過200m的高土石壩壩坡穩(wěn)定。

3.2壩坡最危險滑弧

直心墻方案在蓄水后穩(wěn)定滲流期[4-5]，上下游正常水位情況下的安全系數(shù)為1.675，其破壞形式也是上游堆石體主動破壞與下游邊坡滑動的復(fù)合破壞形式，但而上游主動破壞區(qū)范圍較大且明顯，直心墻方案最危險滑塊位置涵蓋上游壩坡2/3部位。

斜心墻方案水位驟降至庫底時的安全系數(shù)為1.691，滑裂面大部分出現(xiàn)在上游邊坡的軟巖料區(qū)。在壩體的上下游均有滑裂面出現(xiàn)，這表明此時上下游壩坡的安全系數(shù)大致相等，也即上游壩坡的安全系數(shù)相對有所減少，下游壩坡安全系數(shù)兩者相差很小。

穩(wěn)定滲流期上游壩坡最不利水位時直心墻方案安全系數(shù)1.997，斜心墻方案安全系數(shù)為1.844，再此工況施加地震時，最不利滑面依舊為圓滑裂面，在進(jìn)行土石壩壩坡加固或者設(shè)計時壩頂位置加固是影響壩坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。

四、 結(jié)論

4.1現(xiàn)行土石壩設(shè)計規(guī)范可以對超過200m級土石壩壩坡穩(wěn)定進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計，正常蓄水期安全系數(shù)大于1.5，竣工期和庫水位驟降時大于1.3，地震時安全系數(shù)大于1.2，糯扎渡土石壩符合土石壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定，壩坡穩(wěn)定不是影響高土石壩修建的決定性因素。

4.2所有斜心墻方案下游壩坡危險滑裂面位置較直心墻方案距壩頂稍近，由于作用在斜心墻上向下的滲透力分量較大，增加了心墻下游側(cè)的應(yīng)力從而提高了其抗剪強(qiáng)度所致。穩(wěn)定滲流期上游壩坡最不利水位時危險滑裂面與施加地震后壩坡危險滑裂面位置一致。在進(jìn)行土石壩壩坡加固或者設(shè)計時壩頂位置加固是影響壩坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

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