昌圖縣西大橋水庫土質(zhì)大壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)探析

劉心峰

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，沈陽 110003)

0 引 言

水庫在長期蓄水、排水使用過程中，壩體穩(wěn)定性會發(fā)生較為明顯的變化，安全系數(shù)降低將對庫區(qū)范圍內(nèi)居民生產(chǎn)、生活以及社會穩(wěn)定造成嚴(yán)重的影響[1-2]。為了提高壩體穩(wěn)定性，針對不同的壩體特點(diǎn)，采用合適的治理方式是十分必要的[3-4]。針對大壩防滲加固效果檢驗(yàn)的方法，工程中較為常用的是數(shù)值模擬、STAB軟件分析[5]。以昌圖縣西大橋水庫為例，對土質(zhì)水庫大壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

西大橋水庫位于亮子河支流上，控制流域面積為17.7km2，河長9km，河道比降2.8‰。大壩為均質(zhì)土壩，長116.0m，頂寬4.0m，最大壩高5.75m。迎、背水面坡比為1∶2.3、1∶2.4。

1 水文地質(zhì)概況

西大橋水庫附近地形東高西低，屬洪積扇。地層以黏性土、第四系沖洪積物、全風(fēng)化泥巖，其巖性，從勘探孔揭露的深度范圍內(nèi)，由上至下分述如下：

1)粉質(zhì)黏土：黃褐色，呈可塑狀態(tài)。上部為薄層碎石路面，該層見于壩身，屬筑壩材料。層厚1.4-6.2m，層底標(biāo)高95.92-95.97m。

2)粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑狀態(tài)。層厚3.9-4.0m，層底標(biāo)高91.97-92.02m。

3)角礫：級配良好，中密狀態(tài)，由中風(fēng)化石英巖、花崗巖等組成，最大粒徑5-6cm。厚1.0-2.6m，層底標(biāo)高85.01-85.82m。

4)全風(fēng)化泥巖：紅色，巖芯呈土狀，用手掰不易碎，鉆孔未穿透此層。

壩址區(qū)可見庫區(qū)滲漏及大氣降水補(bǔ)給的上層滯水及孔隙承壓水，其初見水位埋深為3.0-7.0m，標(biāo)高為94.37-95.12m；其穩(wěn)定水位埋深為0.2-2.7m，標(biāo)高為97.17-99.42m，水位年變幅隨季節(jié)及庫區(qū)水位變化。各層力學(xué)指標(biāo)和滲透性指標(biāo)見表1、表2和表3。

3 大壩防滲加固工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)、校核洪水位確定

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查結(jié)果，繪制水位和水面面積、水庫庫容關(guān)系曲線見圖1。西大橋水庫大壩最大壩高為5.75m，≮15.0m，上下游水頭差為2.85m，≮10.0m，洪水標(biāo)準(zhǔn)按平原、濱海區(qū)標(biāo)準(zhǔn)確定。庫正常蓄水位100.0m，相應(yīng)庫容10.26萬m3；設(shè)計(jì)洪水位101.17m，相應(yīng)庫容為20.06萬m3；校核洪水位101.55m，相應(yīng)庫容為24.26萬m3。

3.2 大壩加固工程設(shè)計(jì)

3.2.1 高程復(fù)核

根據(jù)規(guī)范SL189-2013、SL274-2001中規(guī)定，進(jìn)行壩頂高程復(fù)核。計(jì)算結(jié)果見表4。

表1 壩身及壩基各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 角礫物理力學(xué)性質(zhì)

表3 各土層滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 水位與水面面積、庫容關(guān)系

表4 壩頂高程復(fù)核結(jié)果

現(xiàn)狀壩頂高程102.10m，小于本次復(fù)核壩頂高程102.25m(設(shè)計(jì)水位)及102.19m(校核水位)，不滿足規(guī)范要求。因此大壩需整加厚形后便可以鋪設(shè)砂石路面20cm，同時(shí)在壩肩設(shè)置花崗巖路緣石。

3.2.2 大壩工程加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)大壩局部整形

對現(xiàn)壩體迎水坡進(jìn)行培厚整形，死水位以上至壩頂進(jìn)行干砌石護(hù)坡，其結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)為0.30m塊石護(hù)坡，下設(shè)0.20m碎石墊層，底部鋪0.10m砂墊層。死水位以下拋石。

2)背水面貼坡排水

在背水坡壩腳處設(shè)置貼坡排水，貼坡排水控制高程為100.0m，其結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次是30cm厚塊石層，20cm厚碎石層及10cm厚砂墊層。

3)壩壩頂設(shè)計(jì)

大壩壩頂鋪設(shè)20cm厚砂石路面，并在兩壩肩設(shè)置花崗巖路緣石?；◢弾r規(guī)格為40cm×15cm×99cm。

3.3 大壩加固效果分析

3.2.1 壩體穩(wěn)定性分析

采用水利部推廣應(yīng)用土石壩邊坡穩(wěn)定分析(STAB)壩體邊坡穩(wěn)定性。計(jì)算方法采用瑞典圓弧法。計(jì)算原理如下：

式中：W為土條重量；μ為孔隙壓力；α為條塊重力線與通過中點(diǎn)的半徑的夾角；b為土條寬度；c′、φ′為有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算典型斷面取最大壩高處。

圖2 大壩穩(wěn)定計(jì)算簡圖

壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果見表5。

表5 大壩壩體邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表5可以看出，大壩在實(shí)際抵御洪水標(biāo)準(zhǔn)下各工況均滿足大壩最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

3.2.2 大壩滲流分析

1)滲流穩(wěn)定分析計(jì)算

壩體滲流分析使用北京理正軟件提供的滲流分析計(jì)算功能進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6。

2)后貼坡排水控制高程與結(jié)構(gòu)分析確定

在背水坡滲水段貼坡排水頂高程，應(yīng)由壩體浸潤線溢最大出點(diǎn)高程加1.50m防護(hù)安全超高確定：

按壩后浸潤線最高溢出點(diǎn)高程(校核洪水情況)計(jì)算

H貼坡頂=H浸潤線+h超高=98.31+1.50=99.81(m)

考慮上面計(jì)算結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際，西大橋水庫壩后貼坡排水控制頂高程設(shè)計(jì)選為100.0m。

4 結(jié) 論

土壩造價(jià)低、施工簡便，在水利工程中較為常見，但土壩使用耐久性也較低，通過現(xiàn)場調(diào)查獲取西大橋水庫水位和庫容、水面面積的關(guān)系為設(shè)計(jì)水位提供參數(shù)。通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取巖土體強(qiáng)度、滲流參數(shù)。通過高程復(fù)核，現(xiàn)狀壩體難以滿足防洪要求，進(jìn)行加高處理，通過穩(wěn)定性分析，壩坡滿足安全需求；經(jīng)過滲流分析確定壩后控制水位為100.0m。