某棄渣壩除險加固前后穩(wěn)定性分析

謝 忱

(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

1 工程概況

某水庫是秦嶺北麓渭河一級支流石頭河上一座以灌溉、發(fā)電、城市供水、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的大2型水利樞紐工程，該水庫除擔負下游灌區(qū)2.47萬hm2的農(nóng)田灌溉任務(wù)之外，還擔負著向城市供水的任務(wù)，今后將會進一步擔負向周邊多座城市供水的任務(wù)，是重要的供水水源地。黑溝河位于水庫下游左岸，屬其一級支流，自西向東于水庫下游大壩背水坡坡腳處流入石頭河。棄渣壩是水庫大壩施工期間，將大量廢棄土石料堆積于黑溝溝口，未經(jīng)任何碾壓，最大壩高47m，總堆積方量約120萬m3，庫容約93萬m3。棄渣壩在堆積前，沿溝底砌筑了一座漿砌石排水涵洞，但在1981年8月的洪水沖刷下發(fā)生部分坍塌，只能排出很小的流量，喪失排洪功能，此外，水庫水位增高時，在棄渣壩下游壩坡下部有多處滲水，沿涵洞周圍存在管涌，對棄渣壩的穩(wěn)定和安全造成嚴重威脅[1- 3]。為解決上述問題，本工程在黑溝河左岸邊巖體內(nèi)開挖一座排洪隧洞，并對整修前后壩體滲流和邊坡穩(wěn)定性進行了分析[4- 8]，為工程的整修設(shè)計和施工方案優(yōu)化及后期安全運行提供了科學(xué)的依據(jù)。

2 棄渣壩整修前后穩(wěn)定性分析

2.1 滲流計算

2.1.1 滲透指標選取及荷載組合

滲流斷面選取沿溝底的斷面，該斷面為最大壩高斷面，其滲流狀態(tài)能基本反映棄渣壩的整體滲流狀態(tài)。棄渣壩壩基為基巖，視為不透水層，整修前壩體分為淤泥層和壩體兩個滲透區(qū)，其滲透系數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報告的成果選??；整修后的壩體分為淤泥層、培厚填土和壩體三個滲透區(qū)，培厚填土的指標根據(jù)填筑指標選取，其他參數(shù)同整修前的參數(shù)。整修前后各滲透區(qū)的參數(shù)取值見表1。

表1 整修前后各滲透區(qū)的參數(shù)取值

本次滲流計算采用土石壩二維滲流計算程序，其方法為三角形單元有限元分析方法，采用改進平方根法直接求解線性代數(shù)方程組。

計算的荷載組合根據(jù)規(guī)范規(guī)定，土壩計算應(yīng)考慮水庫運行中出現(xiàn)的不利條件，因該棄渣壩平時不蓄水，只在汛期短暫滯洪，所以本次未計算正常蓄水位和1/3壩高水位的荷載，只計算下列兩種水位組合情況:①上游設(shè)計滯洪水位742.66m與下游水位714.70m；②上游校核滯洪水位747.57m與下游水位714.70m；因壩體下游溝底高程為714.70m，與某水庫泄洪洞洞頂齊平，且各種工況下下游基本無水，所以計算時下游水位取714.70m。

圖1 整修前后棄渣壩在設(shè)計及校核水位下的滲流結(jié)果

2.1.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述荷載組合情況分別計算出下游壩坡出逸點高程及滲流量值見表2和圖1。

表2 各荷載組合下滲流計算結(jié)果 單位：m

由表2及圖1可以看出：整修前在設(shè)計洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點位于坡腳處，高程為715.14m，比下游溝底高程714.70m只高0.44m，說明出逸點高程較低，但其單寬滲流量較大，為477.17m3/(d·m)；整修后在設(shè)計洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點也位于坡腳處，高程為714.91m，比整修前的出逸點高程略低0.23m，差別較小，但其單寬滲流量很小，較整修前差別極大，僅為0.56m3/(d·m)；整修前在校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點位于坡腳處，高程為715.59m，比設(shè)計洪水位時稍高，總體來說出逸點仍較低，但其單寬滲流量明顯增大，為707.00m3/(d·m)；整修后在校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點仍位于坡腳處，高程為715.20m，比整修前的出逸點高程略低0.39m，差別不大，但其單寬滲流量較整修前降幅極大，僅為0.98m3/(d·m)。由上述結(jié)論可以看出，棄渣壩整修后，在防滲方面的效果很顯著。

2.2 壩坡穩(wěn)定計算

2.2.1 壩體材料參數(shù)選取及計算工況

壩坡穩(wěn)定計算是在滲流計算的基礎(chǔ)上進行，斷面的選取與滲流計算一致。由于棄渣壩平時不蓄水，滯洪時水位漲落幅度較大且歷時短、變化快，因此為便于計算，仍按照滲流計算時設(shè)計洪水位和校核洪水位進行計算，此外還需要分別對上游和下游壩坡的穩(wěn)定進行計算，具體計算工況如下：①壩前水位為設(shè)計滯洪水位742.66m，下游水位714.70m，此時的上游壩坡穩(wěn)定情況；②壩前水位為設(shè)計滯洪水位742.66m，下游水位714.70m，此時的下游壩坡穩(wěn)定情況；③壩前水位為校核滯洪水位747.57m，下游水位714.70m，此時的上游壩坡穩(wěn)定情況；④壩前水位為校核滯洪水位747.57m，下游水位714.70m，此時的下游壩坡穩(wěn)定情況。

設(shè)計滯洪水位下的工況為正常工作條件下的工況，校核滯洪水位下的工況為非常工作條件下的工況。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，正常工作條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25，非常工作條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15。壩體各材料的計算參數(shù)是根據(jù)地勘報告中的物理力學(xué)指標建議值選取的，具體見表3。

表3 壩體各材料的計算參數(shù)

表4 各工況下壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

2.2.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述工況和壩體各材料計算參數(shù)，采用土石壩邊坡穩(wěn)定計算程序中的畢肖普法，確定相應(yīng)的最小安全系數(shù)和相應(yīng)的滑裂弧位置，計算出各工況下計算斷面上、下游壩坡的最小安全系數(shù)見表4和圖2。

由表4及圖2可以看出：整修前在設(shè)計洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為70.84m，安全系數(shù)為1.42，下游壩坡的滑弧半徑為86.15m，安全系數(shù)為1.28；而整修后在設(shè)計洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為24.85m，安全系數(shù)為1.51，下游壩坡的滑弧半徑為82.15m，安全系數(shù)為1.35，與整修前相比，滑弧半徑變短，滑弧深度變淺，上游坡變化更為明顯，滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現(xiàn)為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，安全系數(shù)均有所提高。整修前在校核洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為50.00m，安全系數(shù)為1.06，不滿足規(guī)范要求，下游壩坡的滑弧半徑為97.83m，安全系數(shù)為1.27；而整修后在校核洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為30.05m，安全系數(shù)為1.42，下游壩坡的滑弧半徑為80.12m，安全系數(shù)為1.29，與整修前相比，滑弧半徑變短，滑弧深度變淺，上游坡變化最為明顯，下游坡變化較小，滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現(xiàn)為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，上游坡安全系數(shù)提高了0.36，效果明顯，下游坡略有提高。

3 結(jié)論

通過對整修前后壩體滲流和邊坡穩(wěn)定性進行分析，整修前在設(shè)計和校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點均位于坡腳處，出逸點高程較低，但單寬滲流量較大；整修后在設(shè)計和校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點也位于坡腳處，比整修前的出逸點高程略低0.23m，單寬滲流量很小，較整修前降幅極大，整修后分別為0.56m3/(d·m)和0.98m3/(d·m)，可以看出棄渣壩整修后在防滲方面的效果很顯著。整修后在設(shè)計洪水位時，上游壩坡的安全系數(shù)為1.51，下游壩坡的安全系數(shù)為1.35。整修后在校核洪水位時，上游壩坡的安全系數(shù)為1.42，下游壩坡的安全系數(shù)為1.29。與整修前相比，滑弧半徑變短，滑弧深度變淺，上游坡變化最為明顯，下游坡變化較小，滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現(xiàn)為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，校核洪水位時上游坡安全系數(shù)提高了0.36，效果明顯。

圖2 整修前后棄渣壩在設(shè)計及校核水位下的壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

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