基于Geo-Studio曹家塘壩安全復(fù)核

謝 鵬，龐 輝，劉 浩

（1.山東水總有限公司,山東 濟(jì)南 250001；2.臨沂市蘭陵縣水利局,山東 蘭陵 277700；3.臨沂市羅莊區(qū)水務(wù)局,山東 臨沂 276000）

1 引言

早期修建的水庫(kù)大壩在長(zhǎng)期使用過程中,經(jīng)常出現(xiàn)滲漏等現(xiàn)象,部分可能出現(xiàn)壩坡穩(wěn)定性不足等情況。針對(duì)這部分水庫(kù),復(fù)核其安全情況是十分必要的。但是,我國(guó)在早期修建的水庫(kù)數(shù)量眾多,選擇快速、準(zhǔn)確的方法評(píng)價(jià)大壩安全是十分重要的?？稍谝欢ǔ潭壬蠝p低大壩安全復(fù)核工作難度、提高工作效率。數(shù)值模擬方法計(jì)算速率快、結(jié)果準(zhǔn)確,在水利、巖土等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。Geo-Stvdio是一種極為常用的數(shù)值模擬軟件,其主要優(yōu)點(diǎn)包括：模型建立簡(jiǎn)便、計(jì)算速率快、計(jì)算結(jié)果可靠。常廣品[3]使用Geo-Stvdio分析了水下降落期間,河道堤防的穩(wěn)定性；李振宇[4]使用Geo-Stvdio分析了土石壩滲流穩(wěn)定性情況；張利平等[5]、阿布都卡地爾·阿布都克拉木[6]使用Geo-Stvdio分析了水位驟降作用下心墻壩、均質(zhì)壩的穩(wěn)定性狀態(tài)。結(jié)合曹家塘壩,使用Geo-Stvdio復(fù)核水庫(kù)安全狀態(tài),為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程提供支撐。

2 工程概況及存在問題

曹家塘壩,位于鄒平市西董鎮(zhèn)任家峪村附近,攔河而建,始建于1977 年,流域面積1.93 km2,干流長(zhǎng)度1.799 km。曹家塘壩工程規(guī)模為小（2）型,水庫(kù)死庫(kù)容為0.34×104m3,興利庫(kù)容1.29×104m3。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇,相應(yīng)庫(kù)容2.82×104m3；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,相應(yīng)庫(kù)容3.14 萬(wàn)m3。由于曹家塘壩的建設(shè)年代較早,受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制,工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,施工質(zhì)量差,存在著較多安全隱患,目前主要存在以下問題：

1）大壩

曹家塘壩大壩迎水坡為干砌石護(hù)坡,護(hù)砌損壞嚴(yán)重,大部分塊石松動(dòng)、脫落；邊坡現(xiàn)狀多為雜草、灌木；坡腳無排水體,無防浪墻,無反濾體；壩頂沖刷嚴(yán)重,較多坑洞,壩頂路面未硬化；無觀測(cè)設(shè)施。

2）溢洪道

原左岸溢洪道現(xiàn)已沖毀形成近20 m寬決口,出露卵石、碎石土、黃土狀壤土,決口兩側(cè)邊坡近直立,局部出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。

3）庫(kù)區(qū)

水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重,溢洪道沖毀,庫(kù)區(qū)無法正常蓄水。庫(kù)岸坡均為土質(zhì)邊坡,巖性以碎石土為主,碎石土層具中等透水性,存在庫(kù)區(qū)滲漏問題。

4）管理設(shè)施

曹家塘壩目前屬村莊管理,無管理房等設(shè)施。無專職管理人員,管理技術(shù)粗放落后。

3 滲流安全復(fù)核

3.1 計(jì)算方法及指標(biāo)

滲流計(jì)算采用加拿大geo-stvdio軟件的seep/w模塊來進(jìn)行分析,根據(jù)壩段地形特點(diǎn)、壩基地質(zhì)等情況,選用大壩樁號(hào)0+030 斷面（最大壩高斷面）進(jìn)行滲流計(jì)算,計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 壩體及壩基材料滲透系數(shù)指標(biāo)

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）滲流計(jì)算要求,曹家塘壩滲流計(jì)算工況如下：

工況1：庫(kù)內(nèi)校核洪水位238.01 m,下游相應(yīng)水位226.00 m；

工況2：庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)洪水位237.61 m,下游相應(yīng)水位226.00 m；

工況3：庫(kù)內(nèi)正常蓄水位236.00 m,下游相應(yīng)水位224.50 m；

工況4：庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡最不利的情況。

3.3 壩坡滲流計(jì)算結(jié)果

采用Geo-Stvdio滲流計(jì)算結(jié)果及附圖見表2～表3、圖1。

表2 大壩滲流量計(jì)算成果表

表3 大壩滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表

圖1 滲流穩(wěn)定性計(jì)算成果

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果,庫(kù)內(nèi)正常蓄水位下年滲漏量4.40×104m3,滲漏量大,滲水在壩坡出逸,出逸比降不滿足要求,綜上所述,現(xiàn)狀大壩滲流及滲透穩(wěn)定不滿足要求。

4 壩坡安全復(fù)核

4.1 計(jì)算斷面與計(jì)算方法

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用計(jì)條塊間作用力的畢肖普條分法。采用加拿大geo-stvdio軟件的分析模塊slope/w來進(jìn)行分析,根據(jù)壩段地形特點(diǎn)、壩基地質(zhì)情況等資料,結(jié)合滲流分析的成果,選擇0+030 斷面為代表斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。

4.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)大壩地質(zhì)勘察報(bào)告報(bào)告,土體計(jì)算參數(shù)指標(biāo)見表4。

表4 土體計(jì)算參數(shù)指標(biāo)表

4.3 壩坡穩(wěn)定性計(jì)算工況

計(jì)算工況根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）要求進(jìn)行選取：

正常運(yùn)用條件包含設(shè)計(jì)洪水位情況上下游壩坡；正常蓄水位上下游壩坡；死水位上下游壩坡；死水位上下游壩坡；設(shè)計(jì)洪水位降落至正常蓄水位情況下的上游壩坡。

非常運(yùn)用條件包含校核洪水位情況上下游壩坡；施工完建期（枯水期）上下游壩坡；校核洪水位降落至正常蓄水位的上游壩坡；正常水位遇地震情況上下游壩坡,其中正常水位遇地震工況計(jì)算上下游壩坡時(shí)按正常運(yùn)用條件下安全系數(shù)最小值工況遇7 度地震,計(jì)算工況見表5。

表5 曹家塘壩大壩計(jì)算工況表

4.4 穩(wěn)定計(jì)算成果

穩(wěn)定計(jì)算成果見表6 及圖2。

表6 大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖2 灌漿帷幕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,曹家塘壩現(xiàn)狀溢洪道損毀,水庫(kù)防洪能力已經(jīng)無法滿足現(xiàn)狀防洪需求。

（2）使用Geo-Stvdio軟件,建立最不利斷面數(shù)值模擬模型,對(duì)不同工況下的壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,壩坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

（3）通過Seep模塊計(jì)算不同工況下的壩體滲流情況,結(jié)果表明：現(xiàn)狀大壩壩體、壩基滲透系數(shù)較高,在高水位運(yùn)行時(shí)壩體浸潤(rùn)線較高,下游壩坡存在較大的出逸比降,現(xiàn)狀壩體壩基的滲漏量較大,不滿足要求,曹家塘壩亟需采取除險(xiǎn)加固工程治理。