蒲縣刁口水庫(kù)大壩穩(wěn)定性分析

劉釗

（山西省臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 臨汾，041000）

1 工程概況

蒲縣刁口水庫(kù)是一座以調(diào)蓄中部引黃工程和流域內(nèi)地表水、以供水為主要功能的?。?）型水庫(kù)。水庫(kù)位于臨汾市蒲縣城南約8 km、昕水河一級(jí)支流南川河的屯里溝上，屬于黃河流域。河道長(zhǎng)度11.04 km，河道比降30‰。壩址以上控制流域面積30.6 km2，水庫(kù)總庫(kù)容191.4萬(wàn)m3。

大壩為自密實(shí)混凝土堆石重力壩，設(shè)計(jì)正常蓄水位1 134.1 m，最大壩高40.5 m，壩長(zhǎng)165 m，壩頂寬9.0 m，壩頂高程1 135 m。樞紐工程由擋水壩段、泄洪排沙洞壩段、灌溉輸水洞壩段等建筑物組成。

對(duì)大壩壩體、壩基進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，評(píng)價(jià)大壩穩(wěn)定性，并提出處理措施。

2 自然地理

蒲縣地處呂梁山脈南端，地理位置在北緯36°11′32″～36°38′13″、東經(jīng)110°51′09″～111°23′36″之間，東接洪洞、堯都，西與大寧為鄰，南與吉縣毗連，北與隰縣、汾西接壤，東西寬約48.46 km，南北長(zhǎng)49.36 km，總面積1 508 km2，人口密度68人/km2。

蒲縣所在地屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.41℃，年平均降雨量（1970～2010年）為493.4 mm，多年平均蒸發(fā)量1 814.2 mm（20 cm 蒸發(fā)皿），最大凍土層深度107 cm，年平均無(wú)霜期178 d，年平均風(fēng)速3.6 m/s。

3 工程地質(zhì)條件

壩址位于屯里溝上游砂、泥巖峽谷區(qū)，距屯里溝口約3.18 km。左右兩岸基巖裸露，地貌屬剝蝕侵蝕低中山和山間谷地貌特征。

地層巖性為三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）：砂巖、礫巖、砂質(zhì)泥巖、泥、頁(yè)巖。強(qiáng)風(fēng)化帶厚度2.8～9.74 m。巖層傾向左岸偏下游。上覆第四系低液限黏土、低液限粉土、卵礫石混合土、碎石。

壩址區(qū)斷裂和褶皺構(gòu)造不太發(fā)育，構(gòu)造節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙傾角78°～90°。裂隙密度一般1～2條/m，隙寬1～2 cm，少部分裂隙為泥質(zhì)和小碎石充填，大部分為閉合狀，延伸較短。

地震動(dòng)峰值加速度0.1g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40 s，地震烈度Ⅶ度。

壩址區(qū)地下水主要為碎屑巖裂隙含水層，地下水直接接受大氣降水補(bǔ)給。左、右壩肩地下水位為1 097.03～1 108.42 m，主河槽地下水位為1 092.02～1 092.6 m，河水位1 097.46 m，兩岸地下水補(bǔ)給河谷。主河槽地下水位低于河水位5.22～5.44 m，為懸托型河谷?；鶐r透水率1.78～148 Lu，屬于弱～強(qiáng)透水性。地表水、地下水化學(xué)類型為重碳酸硫酸鈣鎂型水。

4 大壩穩(wěn)定分析

4.1 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)勘察鉆探資料，蒲縣刁口水庫(kù)壩基持力層為三疊系劉家溝組第3巖組（T1l3）厚層、中厚層長(zhǎng)石、石英細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖夾礫巖。巖層產(chǎn)狀：N33°～80°E/NW∠4°～10°。

壩基基巖抗剪斷強(qiáng)度采用地質(zhì)勘察取樣試驗(yàn)結(jié)果，砂巖凝聚力5.84 MPa，內(nèi)摩擦角39.0°；礫巖凝聚力5.30 MPa，內(nèi)摩擦角42.9°。

混凝土與基巖接觸面抗剪斷強(qiáng)度采用GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》表E.0.4，取0.70～0.30 MPa。

壩體抗滑穩(wěn)定按混凝土墊層與基巖接觸面抗滑穩(wěn)定分析，計(jì)算斷面選取最大壩高斷面。采用SL 319-2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的壩體抗滑穩(wěn)定公式進(jìn)行計(jì)算：

壩基滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)選取α=0.3，荷載組合根據(jù)《混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.1.2注4及《山西省水利廳關(guān)于印發(fā)山西省小型水庫(kù)更新建設(shè)工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》考慮正常高水位加排水失效情況，滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)參照選取α=0.75。

依據(jù)SL 319-2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′，基本組合時(shí)應(yīng)不小于3.0，特殊組合（1）時(shí)應(yīng)不小于2.5，特殊組合（2）時(shí)應(yīng)不小于2.3；按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K，基本組合時(shí)應(yīng)不小于1.05，特殊組合時(shí)應(yīng)不小于1.0。其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 沿墊層混凝土與基巖接觸面抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表Table 1 Calculated anti-sliding stability coefficients on the surface between the concrete cushion and the bedrock

計(jì)算結(jié)果表明，除排水失效情況下的抗剪安全系數(shù)小于規(guī)范要求外，其余工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。為使排水失效情況下壩體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，計(jì)算得在水位為1 133.0 m 時(shí)，K=1.002，K′=3.938，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4.2 壩基應(yīng)力分析

壩基垂直正應(yīng)力按SL 319-2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式6.3.3計(jì)算。

表2 壩基垂直應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表Table 2 Calculated vertical stress at dam foundation

經(jīng)計(jì)算，壩趾垂直應(yīng)力小于壩基容許壓應(yīng)力，壩踵垂直應(yīng)力沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

大壩壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析結(jié)論：壩基抗滑及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，但壩體設(shè)計(jì)斷面是由特殊荷載控制的，為保證安全運(yùn)行，采取下列工程措施：（1）結(jié)合深層抗滑計(jì)算結(jié)果，大壩設(shè)置抗滑齒墻。（2）壩基與巖基接觸面用錨筋固結(jié)。（3）大壩運(yùn)行期間須經(jīng)常檢查排水孔不被堵塞及排水設(shè)備功能正常，并結(jié)合調(diào)節(jié)水位方式確保大壩運(yùn)行安全。

4.3 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算及工程措施

4.3.1 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算

據(jù)鉆孔資料，壩基巖體分布有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面，計(jì)算斷面取大壩橫向樁號(hào)0+090 最大壩高處，將泥巖逐層試算，確定控制滑裂面，采用雙滑動(dòng)面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析。根據(jù)SL 319-2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用等安全系數(shù)法，按抗剪斷強(qiáng)度公式，采用《理正巖土重力壩設(shè)計(jì)軟件5.5》計(jì)算。

抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：f'1=0.25，f'2=0.8（AB 面不考慮泥化，參照規(guī)范D.3 取泥夾巖屑中f'最小值0.25）；c1、c2為AB、BC 滑動(dòng)面的抗剪斷凝聚力，c1=20 kPa，c'=700 kPa（AB 面不考慮泥化，參照規(guī)范D.3 取泥夾巖屑中c'最小值0.02 MPa）；α=2°，β=45°+φ/2-α=51.4°（其中φ為巖石內(nèi)摩擦角，取φ=16.7°）。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，壩體沿壩基深層軟弱面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K'在高程1 084.64 m 處滿足規(guī)范要求。對(duì)1 084.64 m高程以上軟弱面采取加固處理措施。

表3 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表Table 3 Calculated anti-sliding stability coefficients for the deep layer of dam foundation

4.3.2 設(shè)置抗滑齒墻后深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，壩基分布有薄層泥巖軟弱夾層，為了使壩基深層抗滑處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以對(duì)大壩橫向樁號(hào)0+060～0+105處設(shè)置C20混凝土抗滑齒槽。

抗滑齒槽基礎(chǔ)的巖性為厚層、中厚層細(xì)砂巖、礫巖、粉砂巖夾薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖。

抗滑齒槽的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，取齒槽深8.5 m，底寬5.0 m，上游側(cè)開(kāi)挖邊坡1∶0.3，下游側(cè)開(kāi)挖邊坡1∶0.2。截?cái)喔叱? 086.77 m及以上處泥巖軟弱夾層。齒槽放在厚層、中厚層細(xì)砂巖、礫巖上，采用C20混凝土混凝土澆筑內(nèi)插鋼筋，確保齒槽抗滑穩(wěn)定性。

對(duì)設(shè)置抗滑齒墻后的壩體沿壩基高程1 086.77 m處深層軟弱面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 壩基深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表Table 4 Calculated anti-sliding stability coefficients for the deep layer of dam foundation

綜上所述，在大壩樁號(hào)0+060～0+105 壩基上游開(kāi)挖澆筑8.5 m 深、底寬5 m（截?cái)? 086.77 m 及以上處軟弱面）的C20F50W2混凝土抗滑齒槽，以解決壩體深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，另外在壩基范圍采取固結(jié)灌漿、打錨筋等工程措施以進(jìn)一步增加壩體抗滑的安全儲(chǔ)備。

5 壩基處理

重力壩承受較大的荷載，對(duì)地基要求較高。天然基巖經(jīng)受長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及外界因素的作用，存在著不同程度的風(fēng)化、節(jié)理、裂隙、破碎帶等缺陷，破壞了基巖的整體性及均勻性，降低了基巖強(qiáng)度和抗?jié)B能力，因此必須對(duì)地基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚▔位_(kāi)挖清理、固結(jié)灌漿、壩基及壩肩帷幕灌漿、壩基設(shè)抗滑齒槽加固。

5.1 壩基開(kāi)挖處理

壩基開(kāi)挖處理，即挖除覆蓋層及風(fēng)化破碎的巖石至新鮮基巖面，主河槽基巖面高程1 094.5 m，為利于壩體側(cè)向穩(wěn)定，左右岸壩基開(kāi)挖成分級(jí)平臺(tái)。

5.2 固結(jié)灌漿

在壩基范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，孔距4 m，梅花型布置，帷幕灌漿前伸入基巖以下孔深為10 m，固結(jié)灌漿后孔深8 m。

5.3 帷幕灌漿

5.3.1 壩基帷幕灌漿

按SL 25-2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)條文確定防滲帷幕的下限，一般采用基巖透水率為3～5 Lu，如果壩高在50 m以下，基巖透水率為不大于5 Lu。當(dāng)透水層較厚、相對(duì)不透水層埋深較大時(shí)，可根據(jù)壩高確定灌漿帷幕的安全深度，取0.3～0.7 倍壩高。刁口水庫(kù)大壩壩高40.5 m，由于主河槽巖體透水率大小分布沒(méi)有規(guī)律性，大多數(shù)段透水性較大，均大于5 Lu，為此防滲帷幕深度取0.3～0.7倍壩高。

為降低壩基滲透壓力，減少壩基滲流量，壩基帷幕灌漿在壩基軸線下樁號(hào)0+003.5處設(shè)一排防滲帷幕，采用懸掛式帷幕，其孔距3.0 m，帷幕灌漿深度30～37 m。

5.3.2 兩壩肩帷幕灌漿范圍

經(jīng)計(jì)算，壩址兩岸壩肩處帷幕灌漿的范圍為兩壩端向岸里各延伸36 m，因兩岸山坡較陡需各設(shè)灌漿平硐長(zhǎng)31 m，平硐斷面為城門洞型，寬×高為2.5 m×3.035 m。帷幕灌漿左岸深34.0 m（1 135.0～1 101.0 m），右岸深32.0 m（1 135.0～1 103.0 m）。

根據(jù)深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，對(duì)1 084.64 m 高程以上軟弱結(jié)構(gòu)面采取加固處理。在大壩樁號(hào)0+060～0+105 壩基上游設(shè)C20F50W2抗滑齒槽以截?cái)? 086.77 m 以上軟弱面，解決壩體深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

5.4 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.4.1 壩體排水孔

為了降低壩體內(nèi)的揚(yáng)壓力，減小滲水對(duì)壩體的不利影響，在壩軸線下游3 m處布設(shè)φ150無(wú)砂混凝土排水管。排水管頂高程1 135.0 m，管底伸至縱向廊道，而后接PVC 管伸至縱向廊道上游側(cè)排水溝，擋水壩段壩體排水管間距均為3 m，泄洪排沙壩段在每個(gè)閘墩的中心埋設(shè)。壩體滲水通過(guò)排水管流入縱向廊道排水溝，在泄洪洞壩段設(shè)橫向廊道集中排水到下游集水井，并設(shè)水泵抽出壩外。

5.4.2 壩基主排水孔

為減小壩基滲透壓力，在壩基樁號(hào)0+005設(shè)一排φ150PVC主排水孔，孔深15 m，間距3 m，下游傾角15°。壩基滲水通過(guò)主排水管流入縱向廊道排水溝，由橫向廊道集中排水到下游集水井，并設(shè)水泵抽出壩外。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)刁口水庫(kù)壩體、壩基進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算，可初步得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：在砂、泥巖分布地區(qū)夾有泥巖軟弱夾層壩基，對(duì)重力壩抗滑穩(wěn)定起著主要影響，所以對(duì)壩基采用開(kāi)挖成齒槽、固結(jié)灌漿、加錨筋、壩基主排水孔、壩體排水孔等工程處理措施，運(yùn)行中應(yīng)關(guān)注壩基排水孔的排水效果，以保證大壩正常運(yùn)行。