興隆山水庫大壩穩(wěn)定性分析

韓麗霞

(彰武縣水利技術(shù)推廣中心站， 遼寧 阜新　123200)

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興隆山水庫大壩穩(wěn)定性分析

韓麗霞

(彰武縣水利技術(shù)推廣中心站， 遼寧 阜新123200)

興隆山水庫已運(yùn)行五十多年，目前大壩存在諸多問題，需要對(duì)大壩的穩(wěn)定性重新進(jìn)行復(fù)核，驗(yàn)算大壩的穩(wěn)定性和安全性，確保其安全運(yùn)行。本文根據(jù)興隆山水庫運(yùn)行現(xiàn)狀，分析大壩存在的主要問題，對(duì)大壩高程及壩體穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核，為興隆山水庫除險(xiǎn)加固工程建設(shè)提供參考。

興隆山水庫； 大壩； 穩(wěn)定性； 復(fù)合； 穩(wěn)定驗(yàn)算

1　工程概況

興隆山水庫位于遼寧省彰武縣東10km的興隆山鄉(xiāng)，養(yǎng)息牧河流域地河上游，壩址以上集雨面積25.70km2，壩頂長1790m，壩頂高程103.50m，最大壩高為6.50m，主壩右端建有1座長45.60m，1.00m×1.20m矩形漿砌石輸水洞，進(jìn)口底高程97.47m；副壩上游建有溢洪道，堰頂高程100.50m，閘體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，設(shè)計(jì)洪水位101.31m，相應(yīng)庫容237.86萬m3；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇，校核洪水位101.92m，相應(yīng)庫容318.94萬m3。興隆山水庫設(shè)計(jì)灌溉水田面積2000畝，養(yǎng)魚水面390畝，保護(hù)著下游3000畝耕地、6000人的安全。興隆山水庫是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)魚綜合利用的小(1)型平原水庫。

1958年，興隆山水庫開始興建；1963年，未完工程進(jìn)行續(xù)建；1977年，溢洪道工程進(jìn)行維修；1989年，新建防浪墻工程和大壩護(hù)坡翻修；2005年，溢洪道工程進(jìn)行二次維修、加固。

2　大壩穩(wěn)定性復(fù)核的必要性

截至目前，興隆山水庫已運(yùn)行五十多年，由于歷史原因和運(yùn)用中的多種因素影響，大壩存在的主要問題是：壩頂高低不平，0+205～0+380和0+730～1+250段下游壩坡嚴(yán)重缺土，存在著嚴(yán)重的安全隱患；上游護(hù)坡石經(jīng)過多年的凍融循環(huán)，風(fēng)化破損嚴(yán)重，大部分壩面無反濾層，壩體土流失；0+000～0+615下游是魚塘，水位較高，浸泡壩腳，大壩無排水體。

鑒于上述原因，需要對(duì)興隆山水庫大壩的穩(wěn)定性重新進(jìn)行復(fù)核，驗(yàn)算大壩的穩(wěn)定性和安全性，確保水庫大壩安全運(yùn)行。

3　地質(zhì)概況

3.1工程地質(zhì)

興隆山水庫庫區(qū)位于彰武縣中部平原區(qū)，大地構(gòu)造位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶東部，水庫及壩址區(qū)地層簡單，水庫區(qū)范圍無大的構(gòu)造發(fā)育，無不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，區(qū)域穩(wěn)定性良好。

按照《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(遼寧省地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖)》(GB 18306—2001)劃分，興隆山水庫地處地震基本烈度Ⅵ度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g。

3.2壩區(qū)地質(zhì)

興隆山水庫位于養(yǎng)息牧河，地勢(shì)較平坦，植被覆蓋良好。壩址區(qū)廣泛分布在第四系中砂層(Q3～4)，鉆孔揭示厚度22～22.99m，呈淺黃褐色、灰白色，稍濕飽和。上部稍密狀態(tài)，下部中密～密實(shí)狀態(tài)，成分以石英為主，其次是長石，少見暗色礦物，分選良好，級(jí)配磨圓較差，無膠結(jié)。

4　壩體特性

興隆山水庫建于“大躍進(jìn)”時(shí)代，屬“三邊”工程，是當(dāng)?shù)厝罕娍渴掷⒓缈傅确绞浇ㄆ鸬墓こ?，筑壩多采用?dāng)?shù)貕沃分苓叺耐亮稀，F(xiàn)場勘查結(jié)果表明：興隆山水庫壩基為輕壤土兼沙壤土；物理力學(xué)指標(biāo)為干容重γ干=15.50kN/m3，土壤內(nèi)摩擦角φ=21°，滲透系數(shù)7×10-5cm/s；大壩為均質(zhì)土壩，筑壩土料為粉質(zhì)沙壤土，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1　巖土物理力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)

5　壩頂高程復(fù)核

壩體典型斷面為:壩高5.50m，壩頂寬4m，上游坡比為1∶30，下游坡比為1∶40，上游采用塊石護(hù)坡，下游為草皮護(hù)坡，壩頂高程為103.50m，防浪墻頂高程為104.30m。

5.1壩頂超高計(jì)算

5.1.1計(jì)算公式

a.壩頂超高計(jì)算。

Y=R+e+A

式中Y——壩頂超高，m；

R——最大波浪在壩坡上的爬高m；

A——安全加高(設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)A=0.5m，校核標(biāo)準(zhǔn)A=0.3m)。

b.風(fēng)浪爬高計(jì)算。

風(fēng)浪爬高按蒲田試驗(yàn)公式計(jì)算：

式中Rm——平均波浪爬高，m；

KΔ——斜坡的糙率滲透性系數(shù)(KΔ=0.8)；

m——上游坡的坡度系數(shù)(m=3)；

hm——平均波高,m;

lm——平均波長,m。

其中KW、hm、lm計(jì)算公式為：

式中W——風(fēng)速(水面上空10m處10min內(nèi)的平均風(fēng)速)，m/s；

H——坡前水深，m；

g——重力加速度。

查《SL 274—2001》表A.1.12-2得：H設(shè)=3.31m，H校=3.12m，W設(shè)=18.31×0.96×1.5=26.4m/s,W校=18.31×0.96=17.5m/s。由此可得：

KW設(shè)=1.29

KW校=1.20

式中D——風(fēng)區(qū)長度，m；

Hm——水域的平均水深；

Tm——平均波周期,s。

5.1.2設(shè)計(jì)洪水位壩頂超高

D=800m，W=26.4m/s，H設(shè)=3.31m，e≈0.031。

經(jīng)計(jì)算：hm=0.35m，Tm=2.63s，lm=10.80m，Rm=0.63m，Rp=1.10m。

壩頂超高Y=1.10+0.031+0.5=1.631(m)。

5.1.3校核洪水位壩頂超高

D=800m，W=17.6m/s，H校=3.92m，e≈0.012。

經(jīng)計(jì)算：hm=0.23m，Tm=2.13s，lm=7.09m，Rm=0.39m，Rp=0.72m。

壩頂超高Y=0.72+0.012+0.3=1.032(m)。

5.2壩頂高程確定

5.2.1設(shè)計(jì)洪水位壩頂高程

壩頂高程=101.31+1.63=102.94m。

5.2.2校核洪水位壩頂高程

壩頂高程=101.92+1.03=102.95m。

6　主壩穩(wěn)定驗(yàn)算

6.1主壩滲透穩(wěn)定驗(yàn)算

主壩土料主要為沙壤土或輕壤土，物理力學(xué)指標(biāo)為：濕容重γ濕=18.30kN/m3，飽和容重γ飽=19.7kN/m3，干容重γ干=15.7kN/m3，土壤內(nèi)摩擦角φ=20°，土粒比重Δ=2.64，孔隙率n=0.393。

6.1.1土體滲透變形類型的判定

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查報(bào)告》(GB 50287—99)，土體的滲透變形類型根據(jù)土的細(xì)粒含量，采用下列方法進(jìn)行判別。

式中Pc——土的細(xì)顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)；

n——土的孔隙率(根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)的結(jié)果，n取0.393)。

6.1.2滲透計(jì)算

6.1.2.1計(jì)算公式

按均質(zhì)壩不透水地基，設(shè)棱體排水，下游無水情況計(jì)算土壩浸潤線。根據(jù)《中小型水庫設(shè)計(jì)》計(jì)算公式為：

式中h1——浸潤線在下游坡逸出點(diǎn)的高度,m；

L——斷面A-A到排水設(shè)備內(nèi)坡腳的距離,m;

H——壩前水頭,m；

t——水面距壩頂?shù)母叨?m;

ε——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.30;

l——浸潤線進(jìn)入排水設(shè)備的深度，m。

6.1.2.2水庫正常水位時(shí)的滲透計(jì)算

a.浸潤線計(jì)算

水庫正常水位(100.50m)為計(jì)算水位時(shí)，H=2.50m。

L=0.30×3×2.50+3×3+4+(2.50+3)×

4-7.5=29.75m

表2　浸潤線計(jì)算成果

土壩浸潤線圖(見圖1)：

圖1　正常水位時(shí)土壩浸潤線 (單位：m)

從土壩浸潤線圖中可以看出，土壩設(shè)計(jì)斷面滿足滲流要求，距壩坡最小處距離超過了凍層深度，不會(huì)造成土壩凍脹破壞。

b.滲透計(jì)算

壩體破壞坡降：J破壞=(Δ-1)(1-n)。

式中KB——流土安全系數(shù)，KB=2；

Δ——土粒比重，Δ=2.64；

n——土的孔隙率，n=0.393。

則:

J破壞=(2.64-1)(1-0.393)=0.99548

J

6.1.2.3水庫設(shè)計(jì)水位時(shí)的滲透計(jì)算

a.浸潤線計(jì)算

水庫設(shè)計(jì)洪水位(101.31m)為計(jì)算水位，H=3.31m。

L=0.3×3×3.31+2.19×3+4+

(3.31+2.19)×4-7.5=28.05m

表3　浸潤線計(jì)算成果

土壩浸潤線圖(見圖2)：

圖2　設(shè)計(jì)洪水位時(shí)土壩浸潤線 (單位：m)

從土壩浸潤線圖中可以看出，土壩設(shè)計(jì)斷面滿足滲流要求，距壩坡最小處距離超過了凍層深度，不會(huì)造成土壩凍脹破壞。

b.滲透計(jì)算

J

6.1.2.4水庫校核水位時(shí)的滲流計(jì)算

a.浸潤線計(jì)算

水庫校核洪水位(101.92m)為計(jì)算水位，H=3.92m。

L=0.3×3×3.92+1.58×3+4+

(3.92+1.58)×4-7.5=26.77m

表4　浸潤線計(jì)算成果

土壩浸潤線圖(見圖3)：

圖3　校核洪水位時(shí)土壩浸潤線 (單位：m)

b.滲透計(jì)算

從土壩浸潤線圖中可以看出，土壩設(shè)計(jì)斷面滿足滲流要求，距壩坡最小處距離超過了凍層深度，不會(huì)造成土壩凍脹破壞。

J

6.2主壩下游壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算

壩坡穩(wěn)定計(jì)算選取大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面，壩高6.50m，計(jì)算不同運(yùn)行條件下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求，并確認(rèn)其是否符合大壩穩(wěn)定條件。

計(jì)算公式：

式中Wi——單寬壩長的土條重(Wi=bhiγ)；

b——土條寬度；

hi——土條的平均高度；

γ——土的容重，按有滲透水壓力計(jì)算土的容重方法選用；

αi——土條弧邊的弦與水平線的夾角，即切線角；

tgφi——土的內(nèi)摩擦角φ的正切值，即摩擦系數(shù)；

Ci——土的黏結(jié)力；

Li——圓弧的長度。

具體計(jì)算，按照理正邊坡穩(wěn)定分析軟件進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表5所列。

表5　壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

注表中[K]值根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)8.3.11規(guī)定予以確定。

7　小　結(jié)

經(jīng)過對(duì)興隆山水庫壩頂高程復(fù)核計(jì)算表明：校核洪水位時(shí)壩頂高程為102.95m，校核洪水位為101.92m，水庫現(xiàn)壩頂高程為103.50m，防浪墻頂高程為104.3m，說明土壩壩頂高程滿足要求；對(duì)興隆山水庫壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，在水庫正常水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位等各種工況下，大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范允許的安全系數(shù)，大壩穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，大壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

建議水庫工程管理單位及主管部門，針對(duì)工程存在的主要問題，完善大壩排水體等必要設(shè)施，及時(shí)進(jìn)行除險(xiǎn)加固和維修養(yǎng)護(hù)，確保興隆山水庫安全運(yùn)行。

Analysis on stability of Xinglongshan Reservoir dam

HAN Lixia

(ZhangwuCountyWaterConservancyTechnologyPromotionCenter,Fuxin123200，China)

Xinglongshan Reservoir has been operated for more than fifty years. The dam has many problems currently. Stability of the dam should be checked again. Stability and safety of the dam should be calculated, thereby ensuring safe operation of reservoir dam. In the paper, main problems of the dam are analyzed according to the operation status of Xinglongshan Reservoir. Dam elevation and dam stability are checked again, thereby providing reference for risk removal and reinforcement project construction in Xinglongshan Reservoir.

Xinglongshan Reservoir; dam; stability; checking; stability calculation

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.018

TV62

A

1005-4774(2016)01-0060-05