某水庫上游圍堰穩(wěn)定分析

姜從偉，漆文邦，費文平，虎 珀，米韻潭

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

1 工程概況

某水庫位于巴河支流-恩陽河中游河段，壩址位于恩陽區(qū)兩路村、高岸村境內(nèi)。本樞紐工程規(guī)模屬大（2）型，工程等別為II等，主要建筑物大壩（擋水、泄水、消能建筑物）、廠房建筑物、魚道出口壩段為2級；魚道（非出口壩段）、廠房尾水渠、下游河道護(hù)岸以及其他次要建筑物等為3級。工程以防洪為主，兼顧發(fā)電，改善下游供水條件。

該水庫的圍堰分上游橫向土石圍堰、縱向混凝土圍堰和下游橫向土石圍堰依附右岸呈半包圍形式布置。上游橫向土石圍堰起點布置在混凝土縱向圍堰上游段右側(cè)距壩軸線上游約50 m處，終點布置在右岸岸坡距壩軸線上游約65 m處。二期上游橫向圍堰軸線長約85.0 m，圍堰頂高程353.1 m，頂寬8.0 m，最大堰高12.1 m。圍堰型式為土石圍堰，上下游邊坡均為1∶1.5，堰體采用粘土心墻+高壓噴射灌漿防滲。二期圍堰設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用12月～次年3月10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量71.5 m3/s，對應(yīng)上游水位為352.40 m，下游水位為343.20 m。

該水庫樞紐項目于2018年10月30日開始填筑上游二期橫向土石圍堰，施工過程按照已批復(fù)的圍堰施工方案進(jìn)行，并于2018年12月1日完成了攏口填筑施工。2018年12月2日~12月5日未發(fā)現(xiàn)圍堰有滲漏現(xiàn)象。2018年12月6日，圍堰出現(xiàn)滲漏，滲流量為0.3 m3/s~0.4 m3/s，此時，庫區(qū)水位為350.40 m，最大水深9 m。滲流出口位于背水側(cè)攏口中心底部，經(jīng)水下探查滲流入口位于攏口迎水側(cè)中心距河床底3 m左右，初步判斷主要滲漏位置集中在攏口部位。

1）圍堰合攏時，攏口心墻位置清理戧堤石渣因在水下作業(yè)，同時河床基巖凹凸不平，將河底石塊清理干凈有很大難度，導(dǎo)致清基不徹底。2）心墻粘土含砂量較高，粘土中大于5 mm顆粒較多，塑性指數(shù)較低，遇水后粘結(jié)度差，水壓大時易松散，水位上升后在水壓的作用下?lián)舸┬膲Σ⑿纬陕┧ǖ馈?）在圍堰合攏施工過程中，由于水流速度較大，填筑的細(xì)粒料被水流帶走，在底部形成一定的粗粒料架空層。

2 模型建立

為進(jìn)一步分析在當(dāng)前滲漏條件下，上游圍堰的壩坡穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定性，需根據(jù)工程實際情況，分析上游圍堰的滲流場，評價其上下游邊坡的穩(wěn)定性，并考慮在設(shè)計最大流量及最大壩高條件下，圍堰的壩坡穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定性。采用GEOSTUDIO二維平面模型進(jìn)行有限元分析。

計算坐標(biāo)系原點取在出口底板與壩橫0~0.557 m的交線上，X為從下游指向上游方向，以出口處為零點，Y方向為鉛直向上方向。二維模型所取的計算范圍為-24 m≤X≤140 m，334 m≤Y≤上部結(jié)構(gòu)實際高程。采用二維平面單元，進(jìn)行圍堰及地基的二維滲流穩(wěn)定分析。根據(jù)巖土工程勘察報告試驗結(jié)果，現(xiàn)將上游圍堰的斷面概化分區(qū)，共分成6個區(qū)域，分別為粘土心墻區(qū)，上下游石渣堆石區(qū)，上下游大石塊壓腳，泥質(zhì)粉砂巖基礎(chǔ)。計算擬采用的材料參數(shù)如表1所示。

表1 不同分區(qū)材料力學(xué)物理力學(xué)參數(shù)

3 滲流分析

采用SEEP/W軟件對該圍堰加高前和加固后進(jìn)行滲流分析，求得各工況下的單寬滲流量和浸潤線，根據(jù)滲流分析結(jié)果并應(yīng)用于壩坡穩(wěn)定分析計算中。

在當(dāng)前水位條件下，圍堰下游的滲漏單寬流量為0.098m3/(s·m)，在設(shè)計水位條件下，圍堰下游的滲漏單寬流量為0.16 m3/(s·m)，比當(dāng)前水位及壩高情況下的滲漏量增加量不大。

圖1 當(dāng)前水位下穩(wěn)定滲透水頭等值線

圖2 設(shè)計水位下穩(wěn)定滲透水頭等值線

4 穩(wěn)定分析

通過對該水庫圍堰的二維模型在正常水位和加高后在設(shè)計水位的計算工況下，運用Geostudio軟件中的SLOPE/W模塊中選取SEEP/W模塊中得到的浸潤線，搜索該圍堰壩內(nèi)潛在的滑動面，計算得到該圍堰在現(xiàn)狀水位350.26 m和加高后設(shè)計水位352.4 m高程下的最危險滑動面穩(wěn)定性系數(shù)見表1，壩坡最危險的滑移面和滑弧圓心見圖3~圖6。當(dāng)前水位運行工況下，上下游邊坡最危險滑動面穩(wěn)定系數(shù)都大于最小安全系數(shù)；在設(shè)計水位運行工況下，上下游邊坡最危險滑動面穩(wěn)定系數(shù)都大于最小安全系數(shù)。滿足規(guī)范要求。

圖3 當(dāng)前水位運行工況上游邊坡穩(wěn)定計算成果圖

圖4 當(dāng)前水位運行工況下游邊坡穩(wěn)定計算成果圖

圖5 設(shè)計水位圍堰上游邊坡穩(wěn)定計算成果圖

圖6 設(shè)計水位圍堰下游邊坡穩(wěn)定計算成果圖

表2 最危險滑動面穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果表

5 上游圍堰變形監(jiān)測資料分析

根據(jù)該水庫上游圍堰工程的實際情況，分別在左岸、中部和右岸側(cè)布置了3個的變形監(jiān)測點，用于監(jiān)測圍堰在運行期變形規(guī)律，其中w左、w中、w右分別為3個變形觀測點，X方向為順河方向，Y方向為橫河方向，Z為豎向。圍堰的變形主要發(fā)生在2月1號之前，后面已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖7 X方向累計變形情況

圖8 Y方向累計變形情況

圖9 Z方向累計變形情況

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

通過對該水庫上游圍堰在當(dāng)前水位及設(shè)計水位條件下，滲流穩(wěn)定和壩坡穩(wěn)定的分析，以及圍堰變形監(jiān)測資料的分析，可得到以下結(jié)論：

1）該圍堰在設(shè)計水位工況下與在當(dāng)前水位運行工況下的滲漏量相比，增加量不大。

2）圍堰的上、下游壩坡最危險滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3）圍堰變形監(jiān)測成果表明，圍堰主要變形發(fā)生在2月1日之前，此后的累計變形趨于平緩，目前已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

6.2 建議

1）處理措施建議在圍堰下游漏水處設(shè)置壓滲平臺，壓滲平臺尺寸大于龍口寬度，厚度約為3 m。在龍口前面鋪蓋位置順河向和橫河向大于龍口寬度一定范圍內(nèi)先拋填麻袋裝粘土，然后再直接拋填粘土。

2）為確保圍堰在運行期的穩(wěn)定性，特別是在超標(biāo)洪水條件下的安全運行，建議采用以下應(yīng)急預(yù)案：

①加強(qiáng)監(jiān)測。在該水庫上游橫向圍堰主要監(jiān)測項目包括：壩體垂直位移、水平位移監(jiān)測，以及圍堰下游合龍位置滲流流量監(jiān)測。

②險情監(jiān)測與巡查。險情檢測內(nèi)容主要包括：圍堰下游附近，有無陰濕、滲水、管涌、流土或隆起現(xiàn)象。滲水點滲水量有無變化、滲水顏色、渾濁度、酸堿度有無變化。圍堰監(jiān)測設(shè)施是否完好。觀測頻次原則上按正常情況下每天觀測1次，特殊情況下（水庫水位驟變、地震、暴雨等）按每天觀測2～3次或根據(jù)現(xiàn)場情況，另作要求。

③備用設(shè)備。當(dāng)圍堰滲漏流量較大時，建議準(zhǔn)備備用水泵和柴油發(fā)電機(jī)做應(yīng)急處理。