某水庫土石壩滲流穩(wěn)定安全計(jì)算與分析研究

賈慶穩(wěn)

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

我國是一個(gè)水利大國，已建和在建的各類水庫數(shù)量眾多[1]。近年來，由于早期修建的水庫逐步步入“老齡化”，特別是早期修建的各類中、小型水庫，水利工程結(jié)構(gòu)的安全問題日益突顯，給水利水電工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2- 4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國病險(xiǎn)水庫總量約有6.02萬座，數(shù)量龐大，這些水庫在我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展中扮演了舉足輕重的角色[5- 7]。在眾多水利工程結(jié)構(gòu)中，大壩壩體作為最重要的擋水建筑物，對(duì)大壩下游的防洪保安起著非常重要的作用[8]。在當(dāng)前病險(xiǎn)水庫安全鑒定中，合理評(píng)估不同運(yùn)行工況大壩壩體的滲流穩(wěn)定顯得尤為重要[9- 10]。

1 工程概況

某水庫始建于20世紀(jì)70年代，是一座以灌溉為主兼有養(yǎng)殖等綜合效益的小(2)型水利工程。樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設(shè)施等組成。壩址以上集雨面積0.2km2，主河道長0.62km，河床平均坡降66.94‰，總庫容17.14萬m3，正常庫容15.09萬m3。設(shè)計(jì)灌溉面積300畝，現(xiàn)實(shí)際灌溉面積225畝。該水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為809.93m，最大壩高18.8m，壩頂寬4.5m，壩頂軸線長67.8m。大壩上游壩坡坡比1∶2.5，下游壩坡坡比為1∶3.0。壩腳有4.0m高的堆石排水體。大壩基巖為泥質(zhì)粉砂巖。

壩體填筑土以紅褐色粉質(zhì)黏土為主，夾少量砂巖碎塊或泥巖碎塊。鉆孔揭示不同深度的土層多處含砂較重，呈透鏡狀，分布不均。壩體壩段中含粉砂質(zhì)泥巖及砂巖碎塊，碎塊塊徑1～4cm居多，個(gè)別達(dá)9cm，含量約占3%。為了復(fù)核壩體填筑土質(zhì)量，對(duì)壩體填筑土進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：填筑土除pH值、黏粒含量偏高和緊密密度偏低外其余指標(biāo)基本符合質(zhì)量技術(shù)要求；大壩填筑不均一，物理指標(biāo)有一定差異性。填筑土屬中等壓縮土，自由膨脹率平均值為22%。壩體土未完全固結(jié)，根據(jù)鉆孔注水試驗(yàn)壩體土屬于中等-弱透水層，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)壩體土屬于弱透水層；填筑土的壓實(shí)度差異較大，填筑質(zhì)量較差。鑒于此，有必要對(duì)該水庫大壩進(jìn)行滲流安全計(jì)算分析，從而及時(shí)掌握壩體的健康狀態(tài)，保障水庫各項(xiàng)功能的正常運(yùn)行。

2 工程地質(zhì)條件

水庫樞紐在區(qū)域上處于海拔高程在380～750m，相對(duì)高差100～370m，地勢(shì)北東高、南西低。地貌單元屬構(gòu)造剝蝕堆積類型，顯低山深丘狹谷地貌特征。

在構(gòu)造作用下，河谷下切較深，兩岸深溝發(fā)育，形成樹枝狀。由于巖層平緩，受侵蝕切割形成階梯狀嶺谷地貌，山頂寬闊平坦，呈圓頂狀。臺(tái)地邊緣深溝狹谷發(fā)育，平面呈現(xiàn)不規(guī)則鋸齒形狀，臺(tái)面寬度為數(shù)十至數(shù)百米，臺(tái)面地帶多為泥巖分布，地形平緩，風(fēng)化剝蝕作用相對(duì)較強(qiáng)，臺(tái)地邊緣巖坎高度與砂巖厚度密切相關(guān)。

樞紐區(qū)河谷狹窄，河床寬8～11m，兩岸壩肩坡度15°～40°。樞紐覆蓋層由中生界白堊系下統(tǒng)白龍組(K1b)和蒼溪組(K1c)內(nèi)陸河湖相碎屑巖組成。第四系全新統(tǒng)松散堆積層以沖、洪積為主，零星分布于河漫灘及階地上，殘積及崩坡積一般分布于河谷兩岸坡；壩址區(qū)出露地層為白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)灰-灰白色厚-巨厚層長石砂巖夾薄層紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，分布于兩壩肩及河床壩基。

據(jù)勘探揭示，壩基為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，建壩時(shí)僅挖了深度約0.3m的截流槽，未采取其他防滲處理措施，強(qiáng)風(fēng)化巖體為碎裂-散體結(jié)構(gòu)，為滲漏通道。壩基強(qiáng)風(fēng)化巖體厚1.5～2.9m，巖體呈碎裂-散體結(jié)構(gòu)。弱風(fēng)化巖體厚度5.3～6.8m，巖體完整性較好。新鮮巖體完整。據(jù)鉆孔壓(注)水試驗(yàn)資料，強(qiáng)風(fēng)化巖體滲透系數(shù)K=5.23×10-3cm/s，屬中等透水層；弱風(fēng)化巖體透水率q=9.7～12.4Lu，屬弱-中等透水層，上述地質(zhì)條件表明壩基存在滲漏問題。強(qiáng)風(fēng)化巖體為主要滲漏通道，透水帶(q≥10Lu)厚度為6.3～7.4m。

3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算及分析

3.1 計(jì)算條件

根據(jù)SL 252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，該水庫屬小(2)型水利工程。工程等級(jí)為Ⅴ等工程，其主要建筑物為5級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧法[11- 14]時(shí)，相應(yīng)的壩坡抗滑穩(wěn)定最小允許安全系數(shù)見表1。

土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選用是否合理，直接影響到壩坡抗滑穩(wěn)定分析成果的可靠性。因此，壩體、堆石體各物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)采用土工試驗(yàn)成果中計(jì)算參數(shù)建議值。各種材料的力學(xué)指標(biāo)采用情況見表2。

表1 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)表

3.2 計(jì)算工況

由于該水庫是一座以灌溉為主的小(2)型水庫，目前放水設(shè)施已經(jīng)封堵，現(xiàn)主要采用提灌供水。經(jīng)計(jì)算校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位都未超過現(xiàn)有壩頂高程。水庫地區(qū)歷史地震頻率低，基本烈度為Ⅵ度，不存在發(fā)震斷裂。故根據(jù)SL 274—2001的規(guī)定，并結(jié)合工程實(shí)際情況，設(shè)置的計(jì)算工況如下。

3.2.1上游壩坡

工況一：正常高水位808.50m形成的穩(wěn)定滲流期；

工況二：上游設(shè)計(jì)洪水位809.14m時(shí)形成的滲流情況；

工況三：上游校核洪水位809.39m時(shí)形成的滲流情況。

3.2.2下游壩坡

工況一：正常高水位808.50m形成的穩(wěn)定滲流情況；

工況二：設(shè)計(jì)洪水位809.14m形成的穩(wěn)定滲流情況；

工況三：校核洪水位809.39m形成的穩(wěn)定滲流情況。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

鑒于該大壩為均質(zhì)土壩，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)壩坡的穩(wěn)定分析采用理正巖土軟件自帶的程序進(jìn)行計(jì)算，按剛體極限平衡法中不計(jì)條間作用力的瑞典圓弧法計(jì)算出抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

從上表穩(wěn)定計(jì)算成果可知，目前大壩上游壩坡在上游庫水位由校核洪水位809.39m形成的穩(wěn)定滲流情況下(工況三)抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Kmin僅為1.035，不滿足規(guī)范允許值(1.05)的要求。下游

表2 筑壩材料主要物理力學(xué)計(jì)算指標(biāo)

表3 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

壩坡在設(shè)計(jì)洪水位809.14m形成的滲流情況下(工況二)抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Kmin僅為1.103，不滿足規(guī)范允許值(1.15)的要求。故大壩上下游壩坡存在不穩(wěn)定的安全隱患問題。各種工況下的滑弧詳圖如圖1—6所示。

分析可知，上游壩坡在工況一(正常高水位808.50m)穩(wěn)定滲流時(shí)，其最不利滑裂面起于上游坡腳位置，止于壩頂下游側(cè)。上游壩坡在工況二(設(shè)計(jì)洪水位809.14m)和工況三(校核洪水位809.39m)時(shí)，其最不利滑裂面均起于上游壩坡中下部位置，同樣止于壩頂下游側(cè)。而至于下游壩坡，在工況一時(shí)，其滑裂面的滑弧位于排水棱體處，說明此時(shí)最危險(xiǎn)的部位位于排水棱體，而其他兩種工況的最不利滑裂面基本一致，起于壩頂上游側(cè)而從下游坡腳位置剪切滑出。

4 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前老水庫普遍存在工程結(jié)構(gòu)老化的問題，以始建于20世紀(jì)70年代的某小(2)型水庫為例，通過對(duì)水庫樞紐工程現(xiàn)場(chǎng)檢查，并對(duì)壩體土

圖1 上游壩坡工況一下的滑弧詳圖

圖2 上游壩坡工況二下的滑弧詳圖

圖3 上游壩坡工況三下的滑弧詳圖

圖4 下游壩坡工況一下的滑弧詳圖

圖5 下游壩坡工況二下的滑弧詳圖

圖6 下游壩坡工況三下的滑弧詳圖

進(jìn)行土工試驗(yàn)分析獲得穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)，采用經(jīng)典極限平衡法中的瑞典圓弧法對(duì)該大壩的上下游壩坡進(jìn)行的穩(wěn)定性分析，同時(shí)分析了不同工況的最不利滑裂面分析，發(fā)現(xiàn)在多個(gè)運(yùn)行工況下該大壩上下游壩坡存在不穩(wěn)定的安全隱患問題，建議及時(shí)采用相應(yīng)進(jìn)行整治。根據(jù)實(shí)際情況，建議對(duì)上游壩坡進(jìn)行整形、護(hù)坡處理、增設(shè)壩體周邊排水溝，同時(shí)對(duì)大壩壩基進(jìn)行帷幕灌漿防滲，從而使壩體達(dá)到滲流穩(wěn)定的要求。