壩體防滲構(gòu)造設(shè)計(jì)及其滲流穩(wěn)定計(jì)算研究

黃雨田

(中科信德建設(shè)有限公司，四川 成都 610057)

西林水庫(kù)位于廣西百色市南盤(pán)江之上，是兼有農(nóng)業(yè)供水、防洪等功用的小(2)型水庫(kù)。擋水建筑物為復(fù)合土工膜防滲風(fēng)化料壩，壩軸線方位角N20.41°E，壩軸線長(zhǎng)70.09m，壩頂高程1348.00m，防浪墻頂部高程為1349.00，壩頂寬5.0m，大壩上游壩坡m1=2.5，下游壩坡m2=2.0，下游壩坡在1377.00m高程設(shè)置寬度為2.0m的馬道，下游面采用格構(gòu)加草皮護(hù)坡，壩體下游壩腳高程1337.00m以下設(shè)置排水棱體，排水棱體頂部高程1337.00m，底部高程1331.87m，頂寬2m，上游側(cè)坡度為1∶1.4，下游側(cè)坡度為1∶1.5。最大壩高15.5m(壩軸線處)，壩底最大寬度72.6m。

在工程可研階段需要對(duì)壩基防滲構(gòu)造及壩體分區(qū)及筑壩材料進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算，利用設(shè)計(jì)資料建立模型對(duì)數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行分析，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)成果對(duì)照，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證提供依據(jù)[1-3]。

1 壩基防滲構(gòu)造設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧系幕厩闆r，壩體材料采用風(fēng)化料，壩體防滲采用復(fù)合土工膜，上游壩腳設(shè)置C20混凝土防滲墻；高程1337.0m以下為棱體排水區(qū)，排水區(qū)與風(fēng)化料之間設(shè)細(xì)砂墊層和碎石墊層，細(xì)砂墊層厚0.5m，碎石墊層厚0.7m；大壩下游壩坡在1337.0m高程設(shè)置寬度為2.0m的馬道。

壩體設(shè)置棱體排水區(qū)，排水區(qū)頂部高程1337.0m，頂寬2.0m，內(nèi)坡1∶1.4，外坡1∶1.5，排水區(qū)與風(fēng)化料之間設(shè)細(xì)砂墊層和碎石墊層，細(xì)砂墊層厚0.5m，碎石墊層厚0.7m(見(jiàn)圖1)。

圖1 排水棱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壩面及岸坡排水采取露天排水溝方式，壩頂下游側(cè)、兩岸岸坡及1337.0m高程的馬道內(nèi)側(cè)均設(shè)置0.3m×0.3m的排水溝，排水溝材料均采用C20混凝土，壩體下游面形成封閉的排水系統(tǒng)，以匯集坡面雨水，引水至下游河道(見(jiàn)圖2)。

圖2 壩坡排水布置

2 壩體分區(qū)及筑壩材料設(shè)計(jì)

壩體填筑主要分為兩部分：壩體風(fēng)化料區(qū)、棱體排水區(qū)。

2.1 壩體風(fēng)化料區(qū)

風(fēng)化料壩體采用料場(chǎng)砂質(zhì)泥巖夾頁(yè)巖料，最大粒徑150mm，浮重度6.5kN/m3，浸潤(rùn)線以上重度為16.5kN/m3，孔隙率12%，滲透系數(shù)為1×10-4cm/s。壩體填筑應(yīng)密實(shí)均勻，有足夠的抗剪強(qiáng)度和低壓縮性。大壩填筑施工前，必須根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，獲取碾壓遍數(shù)、含水量等施工參數(shù)指標(biāo)。

2.2 棱體排水區(qū)

本工程壩體內(nèi)設(shè)棱體排水區(qū)，排水區(qū)能有效地降低壩體浸潤(rùn)線。排水區(qū)頂部高程為1337.00m，高于下游校核水位1332.81(P=5%)。主要由細(xì)砂墊層、碎石墊層和干砌塊石填筑而成，材料為外購(gòu)灰?guī)r料，最大粒徑400mm，孔隙率不小于24%，滲透系數(shù)大于1×10-1cm/s。按照室內(nèi)資料確定設(shè)計(jì)參數(shù)(見(jiàn)表1、表2)。

表1 壩體各區(qū)材料參數(shù)

表2 壩體顆粒級(jí)配范圍

3 滲流穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 滲流計(jì)算

a.計(jì)算工況。大壩荷載組合分為基本組合和特殊組合，結(jié)合本工程實(shí)際，本工程考慮荷載組合情況(見(jiàn)表3)[4-7]。

表3 大壩荷載組合

b.基本參數(shù)：風(fēng)化料(壩體風(fēng)化料含風(fēng)化石)參數(shù)見(jiàn)表4。復(fù)合土工膜滲透系數(shù)為1×10-9cm/s。排水棱體主要參數(shù)見(jiàn)表5。

表4 風(fēng)化料參數(shù)

表5 排水棱體主要參數(shù)

c.計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果。具體計(jì)算采用有限元分析系統(tǒng)軟件AutoBank7.076進(jìn)行，各斷面浸潤(rùn)線計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 校核洪水位壩體滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖4 設(shè)計(jì)洪水位壩體滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖5 正常蓄水位壩體滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖6 土工膜失效期校核水位壩體滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

d.滲流分析。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)要求，需判明壩下游滲流出逸段的滲透穩(wěn)定性；在沒(méi)有反濾層保護(hù)時(shí)，壩體、壩基滲透出逸比降應(yīng)小于材料的允許滲透比降[8-10]。

本工程可能存在滲流破壞的位置有兩處：一處是風(fēng)化料與排水棱體間，另一處為壩基與排水棱體間。本次設(shè)計(jì)在上述兩處均設(shè)置厚1.2m的反濾層，經(jīng)模型模擬驗(yàn)算，滿足規(guī)范對(duì)滲流穩(wěn)定的要求。

4 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

按上述四種工況分別進(jìn)行壩坡穩(wěn)定計(jì)算。

a.計(jì)算方法。本工程大壩為5級(jí)建筑物，采用畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算采用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)軟件AutoBank7.076。

b.計(jì)算成果。對(duì)上述工況分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7，計(jì)算成果見(jiàn)表6。

圖7 穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

表6 大壩穩(wěn)定計(jì)算成果

從計(jì)算成果可知，各工況下，大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，大壩安全可靠。

6 結(jié)論與建議

對(duì)廣西百色市西林水庫(kù)壩基防滲結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，排水區(qū)與風(fēng)化料之間設(shè)細(xì)砂墊層和碎石墊層，細(xì)砂墊層厚0.5m，碎石墊層厚0.7m，壩面及岸坡排水采取露天排水溝方式；壩體填筑主要分為兩部分：壩體風(fēng)化料區(qū)、棱體排水區(qū)，并對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行確定。利用有限元分析系統(tǒng)軟件AutoBank7.076，確定正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位、正常蓄水位+土工膜失效滲漏期四種工況各斷面浸潤(rùn)線，在風(fēng)化料與排水棱體間、壩基與排水棱體間設(shè)置厚1.2m的反濾層，經(jīng)模型模擬驗(yàn)算，滿足規(guī)范對(duì)滲流穩(wěn)定的要求。同時(shí)各工況下，大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，大壩安全可靠。通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)與建模模擬對(duì)壩體防滲構(gòu)造設(shè)計(jì)及其滲流計(jì)算穩(wěn)定性二者耦合提供技術(shù)支撐。