東谷水庫水利樞紐工程壩坡穩(wěn)定復(fù)核計算分析

黃 歡，童鴻強，諶 星

(1.袁州區(qū)電力建設(shè)管理站，江西 宜春 336000；2.宜春市水土保持監(jiān)督監(jiān)測站，江西 宜春 336000；3.上高縣水利電力設(shè)計室 江西 宜春 336400)

1 工程概況

東谷水利樞紐位于江西省安福縣境內(nèi)的東谷河上，距安?？h城14 km，總庫容1.257億m3。水庫灌溉面積33.2萬畝，電站裝機16 MW，是一座以灌溉和發(fā)電為主，兼顧防洪及其他效益的綜合性大（2）型水庫。水庫大壩為粘土心墻土石壩，壩頂高程149.80 m，防浪墻頂高程151.00 m，最大壩高67.8 m，壩頂寬度8.0 m，壩頂長度291.0 m，上游設(shè)三級馬道，高程分別為135.00 m、119.00m、102.00 m，寬度為2.0 m；下游壩坡設(shè)兩級馬道和一級進廠公路，高程分別為135.00 m、117.00 m、95.20 m，寬度分別為 2.0 m、2.0 m、8.0 m。上游壩坡坡比 1:2.5、1:2.75、1:3.0、1:3.5，下游壩坡坡比 1:2.0、1:2.25、1:2.5。下游高程 95.20 m以下為堆石棱體，棱體上游坡坡比為1:1.5，下游坡比1:1.5，頂寬8.0 m，棱體后設(shè)砼集水槽。大壩上游坡135.00 m高程馬道在施工過程中，經(jīng)設(shè)計同意以會議紀(jì)要的形式將馬道寬度改為3.5 m，馬道以上坡度改為1:2.4。

上游坡面高程135.00 m以下設(shè)置干砌石護坡，以上預(yù)制砼護坡；下游坡面在壩趾堆石體以上設(shè)置草皮護坡。

2 計算內(nèi)容及方法分析

據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)，東谷水庫樞紐工程等別為II等，主要永久性建筑物為2級，永久性次要建筑物為3級。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水位標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇。依據(jù)有關(guān)規(guī)范，本次壩坡整體抗滑穩(wěn)定分析中的特征水位按上述防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核成果進行計算。

2.1 計算工況

壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核計算在防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核和滲流安全評價成果的基礎(chǔ)上進行，其具體工況如下：

(1)上游水位正常蓄水位148.00 m，下游水位為87.1 m時形成穩(wěn)定滲流的下游坡；

(2)上游水位設(shè)計洪水位148.00 m，下游水位為93.0 m時形成穩(wěn)定滲流的下游坡；

(3)上游水位校核洪水位149.35 m，下游水位為93.80 m時形成穩(wěn)定滲流的下游坡；

(4)上游水位由正常蓄水位148.00 m降至130.00 m時的形成非穩(wěn)定滲流的上游坡。

2.2 計算方法

依據(jù)《碾壓式土石壩規(guī)范》(SL274-2001)，壩坡靜力穩(wěn)定計算采用剛體極限平衡法，對于穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期，采用簡化畢肖普法進行穩(wěn)定分析時，有效應(yīng)力法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的公式為：

對于水庫水位降落期，采用簡化畢肖普法進行穩(wěn)定分析時，總應(yīng)力法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的公式為：

以上兩式中：c′、φ′為有效強度指標(biāo)；ccu、φcu為固結(jié)不排水總強度指標(biāo)；b為土條寬度；w為土條實重；w1為在壩坡外水位以上條塊實重；w1′為在壩坡外水位以上，浸潤線以下條塊浮重與浸潤線以下條塊實重之和；w2為在壩坡外水位以下的條塊浮重；Z為壩坡外水位高出條塊底面中點的距離；ui為水庫水位降落前壩體中的孔隙水壓力；u為穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期壩體中的孔隙水壓力；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；γw為水容重。

本次壩坡穩(wěn)定復(fù)核采用了GeoStudio軟件中的slope模塊。該程序可同時用瑞典圓弧法、簡化畢肖普法算及M-P出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，并找出相應(yīng)于簡化畢肖普法的最小安全系數(shù)及相應(yīng)的滑裂弧位置[1-2]。

2.3 孔隙水壓力的確定

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)，對于庫水位為設(shè)計洪水位及校核洪水位的穩(wěn)定滲流期的壩體、壩基孔隙水壓力的計算可以根據(jù)滲流分析計算所得的流網(wǎng)來確定，即流網(wǎng)圖中同一等勢線上任意一點的孔隙水壓力就等于該點到該等勢線與浸潤線交點的鉛直水頭壓力。有效應(yīng)力法計算上游坡穩(wěn)定時，水位驟降情況下，考慮孔隙水壓力的消散，利用非穩(wěn)定滲流期的成果計算，孔隙水壓力的確定方法同穩(wěn)定滲流期[3～4]。

3 計算斷面及參數(shù)的選取

3.1 計算斷面的選取

根據(jù)東谷水庫大壩壩體結(jié)構(gòu)、工程運行狀況和地質(zhì)條件，壩坡整體抗滑穩(wěn)定計算斷面的選取與滲流安全分析所選取的斷面相同，土料分區(qū)見圖1。

圖1 壩體計算分區(qū)圖

3.2 計算參數(shù)的確定

計算參數(shù)的選取：1)砂礫石、堆石料、中細(xì)砂料及小碎石的參數(shù)采用初設(shè)報告中相應(yīng)的參數(shù)，石渣混合料采用經(jīng)驗值；2)粘土心墻采用本次檢測結(jié)果，計算參數(shù)值的選取以試驗算術(shù)平均值為標(biāo)準(zhǔn)值，有效應(yīng)力參數(shù)的抗剪強度標(biāo)準(zhǔn)值采用試驗平均值，具體標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 壩坡穩(wěn)定計算物理力學(xué)指標(biāo)取值表

4 計算成果分析

根據(jù)上述原理和參數(shù)取值，大壩的壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果見表2和圖5。

據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)及東谷水庫水利樞紐工程建筑物等級，當(dāng)大壩處于正常運用條件時，采用簡化畢肖普法計算所要求的壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35，當(dāng)大壩處于非常運用條件時，相應(yīng)壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25。由表2可知，大壩的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，其中下游坡最小安全系數(shù)均為1.55，因為邊坡失穩(wěn)都在淺層滑動中，滑動層在浸潤線以上，滲流場對滑坡穩(wěn)定沒有影響。沒有孔隙水壓力上游坡最小安全系數(shù)為1.29(有效應(yīng)力法)，均滿足規(guī)范要求。

按簡布法，正常情況下安全系數(shù)要求達到1.52，非常情況下1.30；按畢肖普方法計算，安全系數(shù)適當(dāng)提高，正常情況下安全系數(shù)達到1.67，非常情況1.39。按M-P法，正常情況下安全系數(shù)達到1.55，非常情況按1.29。因此，無論是正常情況，還是非常應(yīng)用情況，安全系數(shù)均滿足要求。

由圖5可知，上游壩坡穩(wěn)定其穩(wěn)定由水位驟降情況控制。水位驟降情況下，通過逐步計算瞬時滲流以及相應(yīng)的安全系數(shù)，壩坡安全系數(shù)呈選減小后增大的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在水位下降至143.00m附近，上游壩坡安全系數(shù)最小，相應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)為1.29，隨著庫水位驟降速度減緩，壩坡安全系數(shù)逐漸增大，達到1.60以上，并趨于平穩(wěn)。因此，上游壩坡能夠滿足抗滑穩(wěn)定要求。

圖2 校核洪水位下游坡K=1.517

表2 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表

圖3 設(shè)計洪水位下游坡K=1.517

圖4 正常蓄水位K=1.517

圖5 庫水位驟降最小安全系數(shù)K=1.29

圖6 庫水位驟降時最小安全系數(shù)變化過程

5 大壩結(jié)構(gòu)安全綜合評價

經(jīng)上述分析和計算可知，通過對壩坡穩(wěn)定分析和滲流場有限元計算，得出主要結(jié)論如下：

（1）經(jīng)復(fù)核，大壩整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本滿足規(guī)范要求。

（2）由于壩坡排水系統(tǒng)不完善，且壩體透水性高，當(dāng)遇特大暴雨時，壩體浸潤線抬高，壩坡存在失穩(wěn)可能。

綜上所述，依據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》(SL258-2000)，大壩結(jié)構(gòu)安全性評為B級。