江西九江馬頭水庫大壩壩坡穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計

賴先華

(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計院，江西 九江 332000)

0 前言

馬頭水庫位于柴桑區(qū)馬回嶺鎮(zhèn)馬頭村，距離柴桑區(qū)城區(qū)27 km，緊靠昌九高速、南潯鐵路，座落于鄱陽湖水系博陽河支流廬山河，是一座以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖的重點中型水利樞紐工程，主要建筑物有主壩、1#隧洞、2#隧洞、壩下涵管及1#隧洞出口引水電站(機組已拆除)等。

2010年4月8日，在例行的大壩巡查中，在主壩L型排水棱體上樁號0+600邊緣發(fā)現(xiàn)一個2.0×2.0 m2、深約1.2 m的塌坑，后經(jīng)觀察及回填處理，塌坑未發(fā)現(xiàn)異常；2011年5月7日，在連續(xù)的降雨過程中，水庫管理處辦公樓后方山體發(fā)現(xiàn)一處小范圍的滑坡。后經(jīng)在山體設(shè)置擋墻，險情未進一步擴大。為確保大壩后期的運行安全，本文針對馬頭水庫大壩壩坡展開穩(wěn)定性分析。

1 工程現(xiàn)狀

馬頭水庫位于柴桑區(qū)馬回嶺鎮(zhèn)，距縣城27 km，座落于鄱陽湖水系博陽河支流廬山河。主壩兩岸為丘陵地形。主壩左岸為牛頭山，山頂高程164.00 m，山勢險峻，山坡穩(wěn)定性差，常見滑坡、崩塌，懸崖地貌，造成主壩與山坡接觸條件差，對泄洪隧洞穩(wěn)固性有很大影響。主壩右岸是馬頭山，山頂高程130.50 m，為寬約100 m的短條形山，現(xiàn)被當?shù)剞r(nóng)民開辟為采石場，影響庫岸穩(wěn)固。根據(jù)大壩地質(zhì)勘查、安全鑒定，馬頭水庫大壩存在以下問題：①上游坡面混凝土預制塊護坡較平整、干砌石護坡局部風化缺失；下游干砌石護坡局部架空不完整等問題；②混凝土預制塊護坡較平整，無明顯破損、裂縫等現(xiàn)象，局部勾縫處長有雜草；干砌石護坡外觀平整，未見明顯塌陷，局部風化缺失，塊石縫間雜草較多；③下游壩坡高程89.40 m處設(shè)一級馬道，寬3.0 m，下游坡比自上而下分別為1∶2.5、1∶2.75，均為干砌石護坡；干砌石護坡局部架空不完整；上壩臺階混凝土破損、裂縫眾多；壩腳壓浸平臺出現(xiàn)1處約4 m2的塌坑。

2 大壩壩坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

2.1 相關(guān)參數(shù)及計算方法

(1)穩(wěn)定安全系數(shù)確定

馬頭水庫樞紐工程等級為Ⅲ等，永久性主要建筑物為3級，當主壩處于正常運行條件時，采用簡化畢肖普法所要求壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30，當主壩處于非常運用條件時，簡化畢肖普法所要求的壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20。

(2)計算斷面和計算參數(shù)確定

1)計算斷面

根據(jù)主壩的現(xiàn)場安全檢查結(jié)果，結(jié)合壩體和壩基的地質(zhì)情況及地質(zhì)勘察成果，并考慮偏安全的因素，滲流計算選取的計算斷面為0+100斷面、0+300斷面。

2)計算參數(shù)確定

本次主壩穩(wěn)定復核中主壩壩體填土的物理力學指標和抗剪強度指標的確定以初設(shè)階段地勘報告為依據(jù)，具體見表1。

表1 主壩填筑土料力學指標表

3)壩坡抗滑穩(wěn)定驗算

根據(jù)工程的實際情況，壩坡穩(wěn)定驗算考慮設(shè)計工況為：①庫水位為正常蓄水位94.40 m時形成穩(wěn)定滲流期的下游坡；②庫水位為設(shè)計洪水位98.18 m時形成穩(wěn)定滲流期的下游坡；③正常蓄水位94.40 m驟降至死水位水位74.0 m時形成非穩(wěn)定滲流期的上游坡。

4)計算方法

按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)，對3級建筑物，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法進行計算。計算中抗剪強度指標在計算下游坡的抗滑穩(wěn)定時采用有效應(yīng)力參數(shù)；在計算上游坡的抗滑穩(wěn)定時分別采用有效應(yīng)力和總應(yīng)力參數(shù)[1]。

計算采用北京理正軟件設(shè)計研究院開發(fā)的“邊坡穩(wěn)定分析軟件5.11版”。

水位降落期總應(yīng)力法計算公式：

穩(wěn)定滲流期和水位降落期有效應(yīng)力法計算公式：

式中：b為條塊寬度；W為條塊實重，W=W1+W2+γwZb；W1為在壩坡外水位以上的條塊實重；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；u為穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力；ui為水庫水位降落前壩體中的孔隙壓力，按滲透系數(shù)小值平均值計算；β為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角。C′為土體的有效凝聚力；Φ′為土體的有效內(nèi)摩擦角。

式中：ai為土條滑動面與水平方向的夾角。

2.2 穩(wěn)定計算結(jié)果

現(xiàn)狀大壩壩坡穩(wěn)定計算成果見表2。

由表2可知，主壩樁號0+100斷面在設(shè)計洪水位穩(wěn)定滲流期的下游坡(K=1.295)、正常蓄水位降至的死水位的大壩上游坡(K=1.181、K=1.068)，主壩樁號0+300斷面在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期坡的下游坡(K=1.232)、正常蓄水位降至的死水位的上游坡(K=1.172)等工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值(K=1.30)，即穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；其它工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表2 現(xiàn)狀壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果表

3 壩坡加固設(shè)計

為防止主壩加高培厚段壩身受風浪淘刷及雨水沖刷，上游坡采用干砌塊石護坡與砼預制塊護坡進行擇優(yōu)選用，下游坡采用草皮護坡。

3.1 護坡厚度計算

干砌石護坡厚度按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)中A.2.1公式計算：

Q=0.85Q50=0.525PKD3

式中：D為石塊的換算球形直徑，m；Kt為隨坡比變化的系數(shù)，查表取值主壩1.4；ρk為塊石密度，t/m3；ρw為水的密度，t/m3；m為坡度，m=2.5；hp為累積頻率為5%的設(shè)計波浪高度，m；t為護坡厚度，m。

砼預制塊護坡厚度，按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)中A.2.3式計算：

式中：η為系數(shù)，對整體式大塊護面板取1.0，對裝配式護面板取1.1；hp為累積頻率為1%波高；b為沿壩坡向板長，m；ρc為板的密度，取2.4 t/m3；m為坡度，m=2.5；t為砼護坡厚度，m。

二種護坡型式厚度計算結(jié)果見表3。

表3 主壩護坡厚度計算成果表

根據(jù)計算結(jié)果，參照其它工程經(jīng)驗及滿足施工要求，干砌塊石護坡厚度取30 cm，砼預制塊護坡主壩取15 cm。

3.2 護坡型式比選

通過護坡厚度計算，主壩上游護坡采用厚15 cm，邊長30 cm正六邊形預制塊護坡和厚度30 cm干砌塊石進行比較，護坡下均設(shè)置10 cm厚砂卵石混合料墊層，其工程量投資比較見表4。

表4 主壩護坡型式單位面積投資比較表

由表4可知，砼預制塊護坡方案投資較干砌石護坡稍小，且砼預制塊護坡上具有施工速度快、美觀、耐久性好的優(yōu)點，適用于施工周期短的除險加固工程，故選用砼預制塊護坡。

4 結(jié)語

土石壩是我國水利工程的重要的堤壩形式，保證堤壩的穩(wěn)定性對于我國的經(jīng)濟效益和社會效益具有重要的意義。根據(jù)上述分析，大壩主壩上、下游坡抗滑穩(wěn)定均不滿足要求；主壩上游干砌石護坡局部風化缺失，下游干砌石護坡局部架空不完整，壩腳壓浸平臺出現(xiàn)塌坑。主要原因可能是由于馬頭水庫大壩清基不徹底，壩體施工填筑質(zhì)量差，壩體中存在高程不一的軟弱夾層等問題，導致壩基、壩肩及壩體滲漏較為嚴重，危及大壩的抗滑穩(wěn)定安全，使得主壩存在諸多安全隱患，須采用相應(yīng)措施對其進行除險加固。