謝 忱
(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處,山東 膠州 266300)
某水庫是秦嶺北麓渭河一級支流石頭河上一座以灌溉、發(fā)電、城市供水、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的大2型水利樞紐工程,該水庫除擔負下游灌區(qū)2.47萬hm2的農(nóng)田灌溉任務(wù)之外,還擔負著向城市供水的任務(wù),今后將會進一步擔負向周邊多座城市供水的任務(wù),是重要的供水水源地。黑溝河位于水庫下游左岸,屬其一級支流,自西向東于水庫下游大壩背水坡坡腳處流入石頭河。棄渣壩是水庫大壩施工期間,將大量廢棄土石料堆積于黑溝溝口,未經(jīng)任何碾壓,最大壩高47m,總堆積方量約120萬m3,庫容約93萬m3。棄渣壩在堆積前,沿溝底砌筑了一座漿砌石排水涵洞,但在1981年8月的洪水沖刷下發(fā)生部分坍塌,只能排出很小的流量,喪失排洪功能,此外,水庫水位增高時,在棄渣壩下游壩坡下部有多處滲水,沿涵洞周圍存在管涌,對棄渣壩的穩(wěn)定和安全造成嚴重威脅[1- 3]。為解決上述問題,本工程在黑溝河左岸邊巖體內(nèi)開挖一座排洪隧洞,并對整修前后壩體滲流和邊坡穩(wěn)定性進行了分析[4- 8],為工程的整修設(shè)計和施工方案優(yōu)化及后期安全運行提供了科學(xué)的依據(jù)。
2.1.1 滲透指標選取及荷載組合
滲流斷面選取沿溝底的斷面,該斷面為最大壩高斷面,其滲流狀態(tài)能基本反映棄渣壩的整體滲流狀態(tài)。棄渣壩壩基為基巖,視為不透水層,整修前壩體分為淤泥層和壩體兩個滲透區(qū),其滲透系數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報告的成果選??;整修后的壩體分為淤泥層、培厚填土和壩體三個滲透區(qū),培厚填土的指標根據(jù)填筑指標選取,其他參數(shù)同整修前的參數(shù)。整修前后各滲透區(qū)的參數(shù)取值見表1。
表1 整修前后各滲透區(qū)的參數(shù)取值
本次滲流計算采用土石壩二維滲流計算程序,其方法為三角形單元有限元分析方法,采用改進平方根法直接求解線性代數(shù)方程組。
計算的荷載組合根據(jù)規(guī)范規(guī)定,土壩計算應(yīng)考慮水庫運行中出現(xiàn)的不利條件,因該棄渣壩平時不蓄水,只在汛期短暫滯洪,所以本次未計算正常蓄水位和1/3壩高水位的荷載,只計算下列兩種水位組合情況:①上游設(shè)計滯洪水位742.66m與下游水位714.70m;②上游校核滯洪水位747.57m與下游水位714.70m;因壩體下游溝底高程為714.70m,與某水庫泄洪洞洞頂齊平,且各種工況下下游基本無水,所以計算時下游水位取714.70m。
圖1 整修前后棄渣壩在設(shè)計及校核水位下的滲流結(jié)果
2.1.2 計算結(jié)果及分析
根據(jù)上述荷載組合情況分別計算出下游壩坡出逸點高程及滲流量值見表2和圖1。
表2 各荷載組合下滲流計算結(jié)果 單位:m
由表2及圖1可以看出:整修前在設(shè)計洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點位于坡腳處,高程為715.14m,比下游溝底高程714.70m只高0.44m,說明出逸點高程較低,但其單寬滲流量較大,為477.17m3/(d·m);整修后在設(shè)計洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點也位于坡腳處,高程為714.91m,比整修前的出逸點高程略低0.23m,差別較小,但其單寬滲流量很小,較整修前差別極大,僅為0.56m3/(d·m);整修前在校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點位于坡腳處,高程為715.59m,比設(shè)計洪水位時稍高,總體來說出逸點仍較低,但其單寬滲流量明顯增大,為707.00m3/(d·m);整修后在校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點仍位于坡腳處,高程為715.20m,比整修前的出逸點高程略低0.39m,差別不大,但其單寬滲流量較整修前降幅極大,僅為0.98m3/(d·m)。由上述結(jié)論可以看出,棄渣壩整修后,在防滲方面的效果很顯著。
2.2.1 壩體材料參數(shù)選取及計算工況
壩坡穩(wěn)定計算是在滲流計算的基礎(chǔ)上進行,斷面的選取與滲流計算一致。由于棄渣壩平時不蓄水,滯洪時水位漲落幅度較大且歷時短、變化快,因此為便于計算,仍按照滲流計算時設(shè)計洪水位和校核洪水位進行計算,此外還需要分別對上游和下游壩坡的穩(wěn)定進行計算,具體計算工況如下:①壩前水位為設(shè)計滯洪水位742.66m,下游水位714.70m,此時的上游壩坡穩(wěn)定情況;②壩前水位為設(shè)計滯洪水位742.66m,下游水位714.70m,此時的下游壩坡穩(wěn)定情況;③壩前水位為校核滯洪水位747.57m,下游水位714.70m,此時的上游壩坡穩(wěn)定情況;④壩前水位為校核滯洪水位747.57m,下游水位714.70m,此時的下游壩坡穩(wěn)定情況。
設(shè)計滯洪水位下的工況為正常工作條件下的工況,校核滯洪水位下的工況為非常工作條件下的工況。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,正常工作條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25,非常工作條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15。壩體各材料的計算參數(shù)是根據(jù)地勘報告中的物理力學(xué)指標建議值選取的,具體見表3。
表3 壩體各材料的計算參數(shù)
表4 各工況下壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果
2.2.2 計算結(jié)果及分析
根據(jù)上述工況和壩體各材料計算參數(shù),采用土石壩邊坡穩(wěn)定計算程序中的畢肖普法,確定相應(yīng)的最小安全系數(shù)和相應(yīng)的滑裂弧位置,計算出各工況下計算斷面上、下游壩坡的最小安全系數(shù)見表4和圖2。
由表4及圖2可以看出:整修前在設(shè)計洪水位時,棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為70.84m,安全系數(shù)為1.42,下游壩坡的滑弧半徑為86.15m,安全系數(shù)為1.28;而整修后在設(shè)計洪水位時,棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為24.85m,安全系數(shù)為1.51,下游壩坡的滑弧半徑為82.15m,安全系數(shù)為1.35,與整修前相比,滑弧半徑變短,滑弧深度變淺,上游坡變化更為明顯,滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現(xiàn)為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征,安全系數(shù)均有所提高。整修前在校核洪水位時,棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為50.00m,安全系數(shù)為1.06,不滿足規(guī)范要求,下游壩坡的滑弧半徑為97.83m,安全系數(shù)為1.27;而整修后在校核洪水位時,棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為30.05m,安全系數(shù)為1.42,下游壩坡的滑弧半徑為80.12m,安全系數(shù)為1.29,與整修前相比,滑弧半徑變短,滑弧深度變淺,上游坡變化最為明顯,下游坡變化較小,滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現(xiàn)為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征,上游坡安全系數(shù)提高了0.36,效果明顯,下游坡略有提高。
通過對整修前后壩體滲流和邊坡穩(wěn)定性進行分析,整修前在設(shè)計和校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點均位于坡腳處,出逸點高程較低,但單寬滲流量較大;整修后在設(shè)計和校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點也位于坡腳處,比整修前的出逸點高程略低0.23m,單寬滲流量很小,較整修前降幅極大,整修后分別為0.56m3/(d·m)和0.98m3/(d·m),可以看出棄渣壩整修后在防滲方面的效果很顯著。整修后在設(shè)計洪水位時,上游壩坡的安全系數(shù)為1.51,下游壩坡的安全系數(shù)為1.35。整修后在校核洪水位時,上游壩坡的安全系數(shù)為1.42,下游壩坡的安全系數(shù)為1.29。與整修前相比,滑弧半徑變短,滑弧深度變淺,上游坡變化最為明顯,下游坡變化較小,滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現(xiàn)為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征,校核洪水位時上游坡安全系數(shù)提高了0.36,效果明顯。
圖2 整修前后棄渣壩在設(shè)計及校核水位下的壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果
[1] 白陽. 擋渣壩壩體滲流分析與施工設(shè)計[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2014(11): 80- 82.
[2] 閆維恒. 水力學(xué)法和數(shù)值計算法在土壩滲流穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2017(04): 61- 64.
[3] 張娟, 李玉雷, 喬燕飛. 某尾礦庫三維滲流安全分析與探討[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2014(12): 59- 60+83.
[4] 李瑋. 貴州首座砂礫石面板堆石壩滲流穩(wěn)定復(fù)核分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2015(11): 64- 66.
[5] 王德強. 趙子河水庫泥巖心墻石渣壩工程的施工技術(shù)[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2014(04): 53- 54.
[6] 宋曉明. 水庫大壩除險加固設(shè)計及滲流分析[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2015(04): 56- 58.
[7] 徐繼紅. 貼坡排水加高對水庫壩體滲流與穩(wěn)定的影響研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2016(05): 102- 103+122.
[8] 呂遠坤. 水庫大壩滲流穩(wěn)定分析及加固設(shè)計[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2015(12): 99- 100+112.