駝兒潭水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

路書(shū)杰

(中工武大設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，武漢 430000)

1 工程概況

駝兒潭水庫(kù)位于赤壁市境內(nèi)陸水河支流白石港上游，距赤壁市城區(qū)25 km，屬陸水河水系，水庫(kù)集雨面積8.00 km2，總庫(kù)容為363.98×104m3，設(shè)計(jì)灌溉面積133.333 hm2。水庫(kù)30年一遇設(shè)計(jì)洪水位173.72 m，300年一遇校核洪水位174.28 m。水庫(kù)由大壩、溢洪道、輸水管3部分組成，是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水等綜合效益的小(Ⅰ)型水庫(kù)[1]。

2 工程地質(zhì)

駝兒潭水庫(kù)壩址區(qū)出露地層主要為第四系覆蓋層、志留系地層及二疊系地層，基巖巖性為二疊系下統(tǒng)灰?guī)r，第四系地層分布廣泛，成因類型以殘坡積、沖洪積及坡積物為主。

壩體心墻填筑料為黏土，棕色、棕紅色，主要為殘積黏土、少量碎石、塊石混雜而成，局部夾有少量腐殖質(zhì)，夾有多層松散層、碎石層及腐殖質(zhì)，局部有架空小空洞。壩殼料由風(fēng)化泥土夾碎石、塊石、強(qiáng)風(fēng)化巖屑構(gòu)成，呈碎石土狀，碎石含量在50%～60%之間，由弱風(fēng)化灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r組成，粒徑5～30 cm之間，呈棱角狀。

3 防滲加固措施

駝兒潭水庫(kù)大壩為黏土心墻土石壩，最大壩高36.60 m。本次心墻加固采用高壓旋噴樁防滲墻加固處理，防滲軸線布置在壩體軸線上，高壓旋噴樁樁徑1.00 m，依據(jù)防滲墻上下游水頭不同，旋噴樁樁間距0.70～0.80 m，成墻厚度0.71～0.60 m，鉆孔孔斜率不大于0.5%。

壩基防滲采用單排帷幕灌漿，帷幕向右壩肩延伸10.00 m，孔距2.00 m，帷幕底線深入透水率10Lu線以下5.00 m。

4 壩址下游水位與流量關(guān)系計(jì)算

駝兒潭水庫(kù)壩址下游順直河段長(zhǎng)約200 m，河床主要由小卵石、粗砂組成，河道147.00高程以下斷面呈U字形，無(wú)雍水現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果繪制壩址下游河道橫斷面圖。水位與流量關(guān)系計(jì)算公式如下：

式中:Q為洪峰流量，m3/s；A為有效過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；n為河床糙率；R為水力半徑，m；S為水面比降。

根據(jù)河床組成，結(jié)合湖北省河道糙率經(jīng)驗(yàn)公式確定該河段的糙率(取為0.04)，水面比降按實(shí)測(cè)縱斷面比降計(jì)算(取為0.080 8)。

通過(guò)計(jì)算，駝兒潭水庫(kù)壩址下游水位流量關(guān)系成果見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)壩址下游水位流量關(guān)系表

5 水庫(kù)放空時(shí)段估算

由于輸水管承擔(dān)著特殊工況放空水庫(kù)的任務(wù)，溢洪道堰頂高程以上水量由溢洪道宣泄，輸水管放空水位從堰頂高程172.00 m開(kāi)始、至死水位155.00 m結(jié)束，放空過(guò)程輸水管閘門全開(kāi)。輸水管的放空時(shí)間根據(jù)管道的過(guò)流能力，結(jié)合水庫(kù)區(qū)間庫(kù)容計(jì)算，其計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 水庫(kù)放空時(shí)間計(jì)算表

6 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

6.1 大壩滲流穩(wěn)定計(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，考慮以下組合情況。

正常運(yùn)用條件：①正常蓄水位條件下穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡；②設(shè)計(jì)洪水位條件下水庫(kù)降落期上游壩坡；③正常運(yùn)用條件下水庫(kù)降落期上游壩坡。

非常運(yùn)用條件下穩(wěn)定滲流期上下游壩坡

非常運(yùn)用條件下水庫(kù)降落期上游壩坡

水位降落時(shí)段：校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位降落至正常蓄水位依據(jù)水庫(kù)調(diào)洪演算時(shí)段確定，本工程均取6h。正常蓄水位降落至死水位降落時(shí)段依據(jù)水庫(kù)放空時(shí)段估算確定，具體放空時(shí)段見(jiàn)表2。

6.2 基本參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)成果，并參照類似工程擬定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。壩基及壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算采用的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 穩(wěn)定計(jì)算采用的物理力學(xué)指標(biāo)

6.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算，采用河海大學(xué)工程力學(xué)系《水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》(Autobank V7.41版)軟件計(jì)算，校核洪水位時(shí)浸潤(rùn)線計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1-圖2。

圖1 加固前校核洪水位水頭等值線圖

圖2 加固后校核洪水位水頭等值線圖

由計(jì)算結(jié)果可知，水庫(kù)加固后校核洪水位時(shí)浸潤(rùn)線經(jīng)過(guò)上游代料區(qū)、壩體心墻區(qū)、下游代料區(qū)，滲流量Q=3.78×10-5m3/s，下游溢出點(diǎn)高程低于排水棱體頂高程，大壩滿足滲流穩(wěn)定要求。

6.4 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2020)的要求[2]，對(duì)大壩最大斷面進(jìn)行各種工況的上下游壩坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。程序按畢肖普法，采用有效應(yīng)力法進(jìn)行土石壩邊坡穩(wěn)定分析。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 加固前后抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算結(jié)果表

由計(jì)算成果可知，各運(yùn)用條件下，大壩防滲加固后各計(jì)算工況上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，大壩安全可靠。加固前后典型工況滑坡危險(xiǎn)滑裂面及計(jì)算成果見(jiàn)圖3-圖8。

圖3 加固前抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖(校核洪水位)

圖4 加固后抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖(校核洪水位)

圖5 加固前抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖(校核洪水位～正常蓄水位)

圖6 加固后抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖(校核洪水位～正常蓄水位)

圖7 加固前抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖(正常蓄水位～死水位)

圖8 加固后抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖(正常蓄水位～死水位)

7 結(jié)論和建議

駝兒潭水庫(kù)大壩心墻采用高壓旋噴樁防滲心墻加固處理，能有效降低大壩浸潤(rùn)線，明顯提高水庫(kù)高水位運(yùn)行大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，加固后大壩上下游邊坡各工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。以下對(duì)小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固土石壩滲流穩(wěn)定計(jì)算提出兩點(diǎn)看法，以供參考：

1) 小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程巖土試驗(yàn)成果較少，各巖土層各物理力學(xué)指標(biāo)值單一，材料參數(shù)選取須參照當(dāng)?shù)仡愃乒こ痰刭|(zhì)資料及參閱專業(yè)書(shū)籍慎重甄選，最好有地勘專業(yè)人員協(xié)助選取。

2) 要針對(duì)各工況反復(fù)計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果要進(jìn)行一致性分析，對(duì)異常結(jié)果要充分分析原因，并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)重新計(jì)算，確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。