厄坑垅水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固前后壩體滲流及穩(wěn)定性分祈

吳恭王

（江西省鄱陽(yáng)縣水利局　　鄱陽(yáng)縣　333100）

厄坑垅水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固前后壩體滲流及穩(wěn)定性分祈

吳恭王

（江西省鄱陽(yáng)縣水利局鄱陽(yáng)縣333100）

土石壩普遍存在壩體填筑不密實(shí)、清基不徹底等病險(xiǎn)問(wèn)題，導(dǎo)致大壩滲流和抗滑穩(wěn)定不滿足安全運(yùn)行的要求。文章以江西省鄱陽(yáng)縣石坑垅水庫(kù)為例，對(duì)除險(xiǎn)加固前后大壩壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析，為水庫(kù)的施工和運(yùn)營(yíng)管理提供指導(dǎo)，為今后同類(lèi)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固提供借鑒。

均質(zhì)土壩除險(xiǎn)加固滲流抗滑穩(wěn)定性分析

引言

我國(guó)自20世紀(jì)50年代以來(lái)，修建了超過(guò)8萬(wàn)座各型水庫(kù)［1、2］。其中大部分水庫(kù)修建于20世紀(jì)50～70年代末這一期間，由于當(dāng)時(shí)建設(shè)條件、施工技術(shù)和管理水平有限，運(yùn)行至今有接近4萬(wàn)座水庫(kù)出現(xiàn)了不同程度的病險(xiǎn)隱患，影響到水庫(kù)各項(xiàng)功能的正常發(fā)揮，也對(duì)下游人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［3］。為此，我國(guó)自2001年開(kāi)始，根據(jù)水庫(kù)的病險(xiǎn)狀況和危害程度，陸續(xù)開(kāi)展了除險(xiǎn)加固工作［4］。我國(guó)水庫(kù)大壩大部分為土石壩［5］，普遍存在壩體填筑不密實(shí)、清基不徹底、未采取防滲措施或處理不徹底等問(wèn)題［6］，導(dǎo)致水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)不足、滲流安全不夠和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗滑穩(wěn)定不滿足等病害。下面以江西省鄱陽(yáng)縣石坑垅水庫(kù)為例，對(duì)除險(xiǎn)加固前后大壩壩體滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，為水庫(kù)的施工和運(yùn)營(yíng)管理提供指導(dǎo)，為今后同類(lèi)水庫(kù)的除險(xiǎn)加固提供借鑒。

1 工程概況

石坑垅水庫(kù)位于鄱陽(yáng)縣東北部金盤(pán)嶺鎮(zhèn)，鄱陽(yáng)湖水系潼津河石坑垅水上。大壩座落在金盤(pán)嶺鎮(zhèn)汪橋村，距鎮(zhèn)政府所在地約8km，離鄱陽(yáng)縣城約60 km，壩址以上控制流域面積4.72km2，壩址以上主河道長(zhǎng)度3.59km，主河道平均坡降1.35%，多年平均降雨為1588.6mm。水庫(kù)正常蓄水位為48.20m，相應(yīng)庫(kù)容69.65×104m3，設(shè)計(jì)洪水位為50.24m，相應(yīng)庫(kù)容為105.6萬(wàn)m3，校核洪水位為50.79m，水庫(kù)總庫(kù)容為118.0萬(wàn)m3。水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高14.80m，壩頂高程51.81m～52.24m，壩頂寬度（1.09～2.86）m，壩頂長(zhǎng)度76.90m，上游坡采用干砌塊石護(hù)坡，下游壩腳為干砌塊石擋土墻。水庫(kù)實(shí)際灌溉面積100hm2，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的?。á瘢┬退畮?kù)工程。

2 大壩滲流計(jì)算分析

由于水庫(kù)大壩無(wú)滲流觀測(cè)設(shè)施，現(xiàn)有資料不足以評(píng)估大壩的安全性，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)大壩在各種運(yùn)行工況下的安全性，給水庫(kù)的除險(xiǎn)加固提供科學(xué)依據(jù)，現(xiàn)根據(jù)地質(zhì)勘探資料和土工測(cè)試資料，對(duì)大壩各種設(shè)計(jì)工況通過(guò)計(jì)算分析來(lái)了解大壩的滲透性。

2.1計(jì)算斷面選取和滲透指標(biāo)

根據(jù)大壩原始地形及現(xiàn)狀實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合本次地質(zhì)鉆探工作，便于對(duì)加固前后滲流情況對(duì)比，加固后設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算斷面與現(xiàn)狀復(fù)核計(jì)算均選取大壩樁號(hào)0+026.5斷面。大壩加固后，計(jì)算斷面滲透分區(qū)與現(xiàn)狀斷面主要不同之處在于增加了壩中常態(tài)混凝土心墻防滲系統(tǒng)和加高加固了大壩壩體。滲透穩(wěn)定分析時(shí)保留的原有各土層滲透試驗(yàn)指標(biāo)取值同現(xiàn)狀計(jì)算分析時(shí)一致，滲透系數(shù)取用地質(zhì)參數(shù)建議值。對(duì)于常態(tài)混凝土防滲墻滲透系數(shù)指標(biāo)取用設(shè)計(jì)值為1×10-7cm/s，允許抗?jié)B比降按經(jīng)驗(yàn)取60。大壩計(jì)算斷面滲透分區(qū)的滲透指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　加固前后大壩典型斷面各分區(qū)滲透指標(biāo)表

2.2計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001的規(guī)定，土壩的滲流計(jì)算應(yīng)考慮水庫(kù)運(yùn)行中出現(xiàn)的不利情況，石坑垅水庫(kù)正常蓄水位48.20m，設(shè)計(jì)洪水位為50.24m，校核洪水位為50.79m；因加固前大壩壩頂高程最低為51.81m，小于校核洪水位50.79m，故本次穩(wěn)定滲流計(jì)算中考慮下列水位組合情況：工況1：上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；工況2：上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位；工況3：上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；工況4：庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

2.3計(jì)算結(jié)果

大壩加固前后滲流復(fù)核計(jì)算采用理正巖土滲流分析計(jì)算軟件（5.2版），該軟件基于二維穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流理論，用有限元法求解滲流水頭并計(jì)算滲漏流量。各透水性土層按多孔介質(zhì)，滲透系數(shù)按各向異性考慮。按不同工況組合進(jìn)行計(jì)算，可得到各工況下的滲流等勢(shì)線和大壩的浸潤(rùn)線位置圖以及單寬滲流量，再根據(jù)等勢(shì)線和浸潤(rùn)線位置推求壩體及壩基的出逸坡降。大壩加固前典型斷面滲流復(fù)核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1和表2，大壩加固后典型斷面滲流復(fù)核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2和表3。

圖1　大壩典型斷面加固前穩(wěn)定滲流流網(wǎng)

2.4結(jié)果分析

由圖1和表2可以看出：加固前該斷面附近壩段壩身防滲性能差，在各種工況浸潤(rùn)線穿過(guò)壩體時(shí)沒(méi)有明顯跌落，整條浸潤(rùn)線相對(duì)較平緩，且在下游坡逸出點(diǎn)較高，大部分位勢(shì)都集中在下游壩體，造成下游壩體承受較大的水頭壓力。經(jīng)分析，出現(xiàn)上述滲流性態(tài)的原因，主要與該斷面土層滲透指標(biāo)及壩體厚實(shí)度密切相關(guān)，大壩施工時(shí)采用人工填筑，無(wú)機(jī)械碾壓，壩體防滲土滲透系數(shù)大值平均值為3.14×10-4cm/s，算術(shù)平均值為1.40×10-4cm/s，大于規(guī)范均質(zhì)壩防滲土的要求1.0×10-4cm/s，且下游未設(shè)排水體，故造成浸潤(rùn)線相對(duì)較平緩；加之壩頂狹窄，上下游壩坡較陡，壩體不夠厚實(shí)，造成浸潤(rùn)線在下游壩坡上出逸點(diǎn)位置較高，且大部分位勢(shì)集中在壩體的后半部分，存在滲流安全隱患。

表2　大壩典型斷面加固前滲流復(fù)核計(jì)算成果

圖2　大壩典型斷面加固后穩(wěn)定滲流流網(wǎng)

表3　大壩加固后典型斷面滲流復(fù)核計(jì)算成果

由圖2和表3可以看出：大壩加固后的滲流流網(wǎng)揭示大壩高水位滲流性態(tài)符合心墻防滲土石壩滲流規(guī)律，浸潤(rùn)線在心墻前后急劇跌落，心墻削減總水頭50%以上，常態(tài)混凝土心墻后下游壩體浸潤(rùn)線較加固前大大降低。從表3可以看出，常態(tài)混凝土心墻承受最大滲透比降分別為：正常蓄水位時(shí)10.34，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)13.45，校核洪水位時(shí)14.15，均小于混凝土心墻允許抗?jié)B比降經(jīng)驗(yàn)值［J］=60，滿足規(guī)范要求。浸潤(rùn)線在下游貼坡排水體中出逸，而且各工況大壩計(jì)算單寬滲漏量均較加固前有所減小，說(shuō)明大壩防滲加固大大改善了大壩滲流狀況。

3 大壩壩坡穩(wěn)定分析

3.1計(jì)算斷面選取和壩體材料指標(biāo)

根據(jù)大壩原始地形及現(xiàn)狀實(shí)際運(yùn)行情況，為與滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面對(duì)應(yīng)，本次大壩壩坡穩(wěn)定分析仍選擇0+026.5該斷面作為典型計(jì)算斷面，計(jì)算斷面壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。本次大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）推薦的計(jì)其條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法，穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法對(duì)下游壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算；水位降落時(shí)分別采用總應(yīng)力法對(duì)上游壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。本次計(jì)算中的有效應(yīng)力法為簡(jiǎn)化法（即容重代替法），即在壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)令孔隙水壓力為零而將孔隙水壓力包含在土體重量的計(jì)算之中。本次分析中使用的有關(guān)計(jì)算參數(shù)取值以本次室內(nèi)土工試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果為主，無(wú)試驗(yàn)資料的參考類(lèi)比同類(lèi)工程取用地質(zhì)參數(shù)建議經(jīng)驗(yàn)值。大壩加固前、后各筑壩土料的物理力學(xué)指標(biāo)分別見(jiàn)表4和表5。

3.2計(jì)算工況

計(jì)算工況分正常運(yùn)用和非常運(yùn)用兩種情況，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，結(jié)合石坑垅水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂高程小于校核洪水位的實(shí)際情況，現(xiàn)狀壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核只考慮正常運(yùn)用工況，加固后壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核考慮正常運(yùn)用和非常運(yùn)用兩種情況。

表4　大壩加固前抗滑穩(wěn)定分析各分區(qū)材料物理力學(xué)指標(biāo)采用值

表5　大壩加固后抗滑穩(wěn)定分析各分區(qū)材料物理力學(xué)指標(biāo)采用值

3.2.1正常運(yùn)用工況

工況1：水庫(kù)水位為正常蓄水位48.20m，相應(yīng)下游水位取下游地面高程或最低水面高程，大壩形成穩(wěn)定滲流時(shí)的下游壩坡；工況2：水庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位50.24m，相應(yīng)下游水位取下游地面高程或相應(yīng)水面高程，大壩形成穩(wěn)定滲流時(shí)的下游壩坡；工況3：水庫(kù)水位由正常蓄水位48.20m降至死水位41.42m，形成非穩(wěn)定滲流時(shí)的大壩上游壩坡；工況4：自設(shè)計(jì)洪水位50.24m降落至死水位41.42m，形成非穩(wěn)定滲流時(shí)的大壩上游壩坡。

3.2.2非常運(yùn)用工況

工況5：水庫(kù)水位為校核洪水位50.79m，相應(yīng)下游水位取下游地面高程或相應(yīng)水面高程，大壩形成穩(wěn)定滲流時(shí)的下游壩坡；工況6：水庫(kù)水位由校核洪水位50.79m降至死水位41.42m，形成非穩(wěn)定滲流時(shí)的大壩上游壩坡。

3.3計(jì)算結(jié)果及分析

本工程壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析采用北京理正軟件《理正邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算系統(tǒng)》（5.2版）由微機(jī)進(jìn)行計(jì)算。該軟件采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法得到簡(jiǎn)化畢肖普法的計(jì)算結(jié)果，符合《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的要求。大壩建筑物級(jí)別為4級(jí)建筑物，根據(jù)碾壓土石壩規(guī)范其安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)正常運(yùn)用條件下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.25；非常運(yùn)用條件下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.15。大壩典型斷面加固前、后邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果

從表6加固前壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果來(lái)看，大壩所選擇的典型計(jì)算斷面，在正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位（正常工況）工況下形成穩(wěn)定滲流的下游坡整體抗滑穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求；由正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位（正常工況）工況降落至死水位工況下形成非穩(wěn)定滲流的上游壩坡整體抗滑穩(wěn)定能滿足規(guī)范要求。由加固前滲流穩(wěn)定分析可知，壩體、壩基土料防滲性能較差，浸潤(rùn)線穿過(guò)壩體時(shí)沒(méi)有明顯跌落，整條浸潤(rùn)線較為平緩，且在下游壩坡的出逸點(diǎn)位置較高，加之壩體施工時(shí)填筑質(zhì)量較差，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)偏低，從而影響下游壩坡的整體抗滑穩(wěn)定。從表6加固后壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果來(lái)看，加固后大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各種計(jì)算工況下均滿足規(guī)范要求，故加固后大壩的壩坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)　論

通過(guò)對(duì)除險(xiǎn)加固前后大壩典型斷面的滲流和壩坡穩(wěn)定性計(jì)算和對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：加固前典型斷面附近壩段壩身防滲性能差，在各種工況浸潤(rùn)線穿過(guò)壩體時(shí)沒(méi)有明顯跌落，整條浸潤(rùn)線相對(duì)較平緩，且在下游坡逸出點(diǎn)較高，大部分位勢(shì)都集中在下游壩體，造成下游壩體承受較大的水頭壓力，存在滲流安全隱患；加固后浸潤(rùn)線在心墻前后急劇跌落，心墻后下游壩體浸潤(rùn)線較加固前大大降低，浸潤(rùn)線在下游貼坡排水體中出逸，而且各工況大壩計(jì)算單寬滲漏量均較加固前有所減小，說(shuō)明大壩防滲加固大大改善了大壩滲流狀況；加固前壩坡典型斷面在正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位工況時(shí)，下游坡整體抗滑穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求，上游壩坡整體抗滑穩(wěn)定能滿足規(guī)范要求；加固后壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各種計(jì)算工況下均滿足規(guī)范要求。

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［2］楊啟貴，高大水.我國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)加固技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42（12）：6-11.

［3］莊稼.小型水庫(kù)抗洪能力復(fù)核及處理方案分析［J］.湖南水利水電，2009，（3）：55-57+66.

［4］盛金保，沈登樂(lè)，傅忠友.我國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)分類(lèi)和除險(xiǎn)技術(shù)［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2009，（4）：116-121.

［5］王祖強(qiáng)，張貴金，王明，等.用FLAC3D模擬流固耦合評(píng)價(jià)病險(xiǎn)土壩防滲加固效果［J］.湖南水利水電，2009，（2）：41-43.

［6］戚印鑫.克克其汗水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程大壩滲流和結(jié)構(gòu)安全分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013，11（6）：199-202.

吳恭王（1967-），男，江西鄱陽(yáng)人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程管理。

（2016-07-23）