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      象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩壩坡穩(wěn)定性分析

      2018-07-09 12:32:16蔣琳琳張炅冏
      中國(guó)農(nóng)村水利水電 2018年6期
      關(guān)鍵詞:畢肖蓄水位壩坡

      蔣琳琳,趙 川,張炅冏

      (1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院,天津 301636; 2.四川省水利科學(xué)研究院,成都 610072;3. 西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,成都 610039; 4.水利部海委海河下游管理局,天津 300061)

      瀝青混凝土心墻堆石壩是一種常見的土石壩,具有防滲性可靠、抗震性強(qiáng)、適應(yīng)壩體和基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),目前有越來(lái)越多的瀝青心墻壩正在設(shè)計(jì)和施工[1,2]。在我國(guó)西南地區(qū),采用石渣料修建瀝青心墻壩起步較晚,但發(fā)展十分迅速[3-5]。

      瀝青心墻壩的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于壩體材料分區(qū)設(shè)計(jì)及瀝青心墻和過(guò)渡料及石渣料的變形協(xié)調(diào)[6,7],根據(jù)目前已經(jīng)修建完工并投入運(yùn)行的瀝青混凝土心墻堆石壩反饋的情況來(lái)看,分區(qū)堆石料及心墻的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題已基本解決,而對(duì)西南地區(qū)砂巖石渣料瀝青心墻壩的壩坡滲流穩(wěn)定計(jì)算還缺乏統(tǒng)一結(jié)論。鑒于此,本文以四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩工程為例,基于室內(nèi)壩料性能試驗(yàn),采用極限平衡法計(jì)算分析象鼻咀瀝青心墻壩在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I等5種工況下的壩坡穩(wěn)定,以供類似工程借鑒。

      1 工程概況

      象鼻咀水庫(kù)工程位于四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣北部山區(qū)連界鎮(zhèn)先鋒村和反帝村威遠(yuǎn)河上游干流寶溪河之陳家沱至象鼻咀河段上,威遠(yuǎn)河系沱江右岸二級(jí)支流,屬沱江水系,在水口廟以上稱寶溪河。威遠(yuǎn)河主流發(fā)源于威遠(yuǎn)縣境內(nèi)的連界場(chǎng)清風(fēng)寨兩母山東北麓,干流全長(zhǎng)131 km,全流域面積1 022 km2,河道平均比降0.48%。工區(qū)距威遠(yuǎn)縣城35 km,有鄉(xiāng)村公路通過(guò),對(duì)外交通較方便。

      象鼻咀水庫(kù)工程為瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸溢洪道和左岸放空洞的樞紐總體布置方案。水庫(kù)正常蓄水位:583 m,死水位:554 m,校核洪水位:583.70 m,設(shè)計(jì)洪水位:583 m,正常蓄水位庫(kù)容:533 萬(wàn)m3,死庫(kù)容:40.5 萬(wàn)m3,有效庫(kù)容:492.5 萬(wàn)m3,總庫(kù)容542.3 萬(wàn)m3。

      根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL 252-2000,本工程規(guī)模屬小(一)型,工程等別為Ⅳ等。瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程584.3 m,壩頂寬6 m,最大壩高55.3 m,壩頂軸線長(zhǎng)114.64 m。按壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),除瀝青混凝土心墻外,大壩共分為5個(gè)區(qū),分別為上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、上下游過(guò)渡層區(qū)、堆石排水帶和C20混凝土基座。結(jié)合工程實(shí)際情況,將計(jì)算壩體剖面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理,見圖1。

      圖1 象鼻咀瀝青混凝土心墻壩典型橫剖面(單位:m) Fig.1 Typical cross section of bitumen concrete core wall dam

      2 計(jì)算方法和工況

      2.1 塊體極限平衡法

      土石壩壩坡的穩(wěn)定性計(jì)算主要考慮水位以上坡體的滲流壓力,而水位以下部分,將坡面以上水體視為一種有重度無(wú)強(qiáng)度的特殊材料[8-10],本次壩坡穩(wěn)定計(jì)算擬采用瑞典法和畢肖普法[11,12]。

      2.2 計(jì)算工況

      根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5395-2007)有關(guān)規(guī)定[13],大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮水庫(kù)運(yùn)行中的各種不利組合,并對(duì)各種水位情況下做穩(wěn)定滲流計(jì)算和非穩(wěn)定滲流計(jì)算。

      結(jié)合象鼻咀水庫(kù)的水位特征和實(shí)際運(yùn)行情況,本次壩坡穩(wěn)定計(jì)算考慮了大壩正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I。其中,正常運(yùn)用條件包括正常蓄水位和正常蓄水位正常降落至死水位2種工況,而非常運(yùn)用條件I包括竣工期、校核洪水位和校核洪水位非常降落至放空底板高程3種工況。

      由于工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g,對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度,可不考慮地震作用的影響。

      3 計(jì)算參數(shù)獲取

      通過(guò)對(duì)象鼻咀水庫(kù)土石壩心墻瀝青混凝土材料、配合比和性能試驗(yàn)進(jìn)行研究,并結(jié)合工程實(shí)際情況,推薦采用試驗(yàn)中8號(hào)配合比作為象鼻咀瀝青混凝土心墻的施工配合比。配合比材料和級(jí)配詳細(xì)參數(shù)如表1所示,礦料級(jí)配見表2,配合比級(jí)配曲線見圖2。

      水穩(wěn)定性能試驗(yàn)是將同一批尺寸為φ100×100 mm的試件分2組,1組試件在60±1 ℃的水中浸泡48 h后,再在20±1 ℃的水中恒溫2 h,然后進(jìn)行抗壓試驗(yàn);另1組在20±1 ℃空氣中恒溫不少于48 h進(jìn)行抗壓試驗(yàn),2組抗壓強(qiáng)度之比為水穩(wěn)定系數(shù)。試驗(yàn)中變形速度為1.0 mm/min,8號(hào)配合比瀝青混凝土水穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

      表1 推薦的正常氣溫條件下心墻瀝青混凝土配合比表Tab.1 Recommended mixture ratio of core wall asphalt concrete under normal temperature

      表2 推薦配合比的礦料級(jí)配表Tab.2 Mineral aggregate grading table recommended of mix proportioning

      圖2 推薦配合比級(jí)配曲線Fig.2 Recommend mixture ratio gradation curve

      根據(jù)2組試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度結(jié)果,計(jì)算得到8號(hào)配合比水穩(wěn)定系數(shù)為1.12,水穩(wěn)定系數(shù)大于0.9,滿足DL/T5363-2016《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范》的要求。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及地質(zhì)工作前期勘探資料,主要穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)取值采用試驗(yàn)參數(shù)見表3。

      圖3 水穩(wěn)定試驗(yàn)曲線Fig.3 Water stability test curve

      表3 象鼻咀水庫(kù)壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)建議值Tab.3 Proposed value for stability calculation of Trunk Tsui reservoir

      4 壩坡穩(wěn)定性分析

      4.1 堆石壩安全系數(shù)

      分別采用瑞典法和畢肖普法計(jì)算了壩體在5種運(yùn)行工況時(shí)象鼻咀瀝青混凝土心墻壩上、下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù),包含了大壩正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I,具體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。

      分析表4可知:瑞典法和畢肖普法均基于剛體極限平衡理論,但采用非線性指標(biāo)時(shí),畢肖普法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)比瑞典法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)平均提高了4.9%;而當(dāng)采用線性指標(biāo)時(shí),畢肖普法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)比瑞典法計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)平均提高了5.5%。這是由于畢肖普法相比瑞典法僅忽略了土條間切向作用力Xi的影響,假定土條底部滑動(dòng)面上的穩(wěn)定安全系數(shù)相同時(shí),畢肖普法計(jì)算結(jié)果更加合理(后文均以畢肖普法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明)。在所有工況下,采用非線性指標(biāo)計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)均明顯大于線性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果,平均提高了6.4%。

      為了評(píng)價(jià)非線性強(qiáng)度指標(biāo)和線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的差異,給出了兩種強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的壩坡滑弧對(duì)比,見圖4。以正常蓄水位時(shí)大壩上游壩坡為例。分析滑弧分布可知,非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的滑弧較深,而線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的滑弧相對(duì)更淺,僅在堆石壩表層發(fā)生滑動(dòng)。

      根據(jù)工程實(shí)際情況,上游壩坡表面采用六棱塊護(hù)坡,壩坡發(fā)生淺層滑動(dòng)的概率相對(duì)較小,而主要以深層滑動(dòng)為主。因此,建議采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行堆石壩的壩坡穩(wěn)定性計(jì)算。

      綜合表4中采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[13],可見在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I各工況下上下游壩坡的安全系數(shù)均大于規(guī)范最小要求值(畢肖普法計(jì)算壩坡穩(wěn)定時(shí),正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I規(guī)范最小值分別為1.35和1.25),說(shuō)明象鼻咀瀝青混凝土心墻壩壩體設(shè)計(jì)滿足土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

      表4 象鼻咀水庫(kù)壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果Tab.4 Results of stability safety factor of Trunk Tsui dam slope

      圖4 非線性強(qiáng)度和線性強(qiáng)度指標(biāo)壩坡滑弧對(duì)比(正常蓄水位)Fig.4 Nonlinear and linear strength index of dam slope slip arc contrast (normal water storage)

      4.2 竣工期及上游水位變化時(shí)的壩坡穩(wěn)定

      計(jì)算得到了象鼻咀水庫(kù)大壩在竣工期時(shí)上、下游壩坡的危險(xiǎn)滑裂面分布位置(見圖5),竣工期上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.46,而此時(shí)下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.58,下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù),但上、下游壩坡危險(xiǎn)滑裂面滑弧深度相近,起于坡頂,止于坡腳。由于該大壩上游壩坡和下游壩坡坡比均為1∶1.7,因此,上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的差異主要是由于下游壩坡在高程546.3 m處設(shè)有寬3 m的人行馬道,將下游壩坡分為2級(jí),從而提高了下游壩坡的整體穩(wěn)定性。

      圖5 竣工期壩坡滑裂面分布Fig.6 Distribution of slop surface of completion period

      根據(jù)表4的結(jié)果可知,各工況下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)變化很小,基本在1.55~1.60之間變化,受庫(kù)水位變化的影響很小。而庫(kù)水位變化主要影響上游壩坡的穩(wěn)定性,圖6和圖7分別為正常蓄水位~死水位和校核洪水位~放空高程的壩坡危險(xiǎn)滑裂面分布。對(duì)于本文研究對(duì)象象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩,庫(kù)水位對(duì)壩坡的力學(xué)作用是影響其穩(wěn)定性的主要因素。

      圖6 正常蓄水位~死水位壩坡滑裂面分布Fig.6 Distribution of sliding surface of normal reservoir ~ dead water level

      圖7 校核洪水位~放空高程壩坡滑裂面分布Fig.7 Distribution of slop surface of check flood water ~ empty level

      正常蓄水期(583 m),在垂直坡面方向,上游庫(kù)水的靜水壓力擠壓壩坡,產(chǎn)生垂直于壩坡的推力,大部分堆石體被蓄水淹沒,淹沒部分存在水體入滲進(jìn)而產(chǎn)生浮力作用,抵抗了潛在滑裂面上部堆石體的自重,壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)浸潤(rùn)線以下填筑的堆石體采用浮重度,上游壩坡整體穩(wěn)定性提高明顯,此時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)比竣工期的穩(wěn)定安全系數(shù)提高約6.2%。

      庫(kù)水位由正常蓄水位583 m驟降至死水位554 m時(shí)(按10 d計(jì)算),伴隨著上游壩坡前庫(kù)水位的下降,壩體內(nèi)潛水位也隨之下降,滲流計(jì)算的浸潤(rùn)線分布見圖6,可見不同時(shí)刻上游壩坡內(nèi)的浸潤(rùn)線基本與上游水面線齊平,不存在潛水位滯后的情況。分析原因,主要是因?yàn)橄蟊蔷锥咽瘔味咽系脑O(shè)計(jì)指標(biāo)最大粒徑不超過(guò)800 mm,干密度2.11 t/m3,主要采用弱風(fēng)化~新鮮砂巖,最大粒徑控制為800 mm,小于5 mm含量5%~15%,小于0.075 mm含量不大于5%,滲透系數(shù)控制為大于1×10-1cm/s,說(shuō)明堆石料滲透性很好。在此工況下上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.47,說(shuō)明庫(kù)水位由正常蓄水位583 m驟降至死水位554 m時(shí)壩坡穩(wěn)定性好。

      當(dāng)庫(kù)水位由校核洪水位583.70 m驟降至放空底板高程533 m時(shí)(按20 d計(jì)算),此時(shí)的瞬時(shí)浸潤(rùn)線同樣與上游水面線齊平,不存在潛水位滯后的情況,見圖7。此時(shí)上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)減小到1.31,比正常蓄水位時(shí)上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)減小了10.3%。此工況下的滑裂面位于上游壩坡坡腳。

      5 結(jié) 語(yǔ)

      通過(guò)對(duì)象鼻咀瀝青混凝土心墻壩材料進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn),獲得了較為可靠的壩料各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)指標(biāo),可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,采用極限平衡法計(jì)算分析了象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件I等5種工況下的壩坡穩(wěn)定性,得到以下結(jié)論。

      (1)在所有運(yùn)行工況下,象鼻咀瀝青混凝土心墻壩上、下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范最小要求值,象鼻咀瀝青混凝土心墻壩壩體設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

      (2)采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行象鼻咀堆石壩壩坡穩(wěn)定性計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)大于線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù),且采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的壩坡滑弧更符合實(shí)際情況,建議采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

      (3)象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩壩殼料滲透系數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)大于1×10-1cm/s,堆石料滲透性好,壩體堆石料內(nèi)不存在潛水位滯后的情況,說(shuō)明即使在最不利的水位驟降工況下,該壩體的穩(wěn)定性仍然較好。

      (4)象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩填筑材料多為弱風(fēng)化砂巖,易受水體侵蝕影響,建議在蓄水使用階段采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

      象鼻咀瀝青混凝土心墻堆石壩已于2014年6月整體完工并進(jìn)行試蓄水,截至目前,壩后滲漏量較小,壩坡穩(wěn)定性良好,水庫(kù)樞紐工程保持正常運(yùn)行。

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