安陽眾樂水庫安全評價滲流穩定的分析

王威威 鄭艷麗

1 工程概況

安陽縣眾樂水庫屬漳河支流,位于安陽縣倫掌鄉眾樂村西南1 km處,該水庫是一座以防洪為主兼引渠灌溉、養殖等綜合利用的小型水庫,控制流域面積0.5 km2,壩上干流長0.8 km,河道平均比降為25.3‰。水庫設計標準為30年一遇,設計水位90.24 m,相應庫容為12.4萬m3,校核標準500年一遇,校核洪水位91.05 m,相應庫容為15.7萬m3,死水位為86.70 m,死庫容為1.4萬m3。水庫由主壩、副壩、輸水洞等建筑物組成。大壩屬黏土均質壩,主壩呈東西走向,副壩呈南北走向,主壩壩頂高程100.0 m,最大壩高19.0 m,壩頂長 350 m,寬 4 m,迎水坡為 1∶2.5,背水坡依次為1∶2,1∶2.5。輸水洞位于大壩右側,砌石箱形,斜插板,螺桿啟閉機;進口高程86.70 m,斷面為1.5 m×1.0 m,洞長80.0 m,最大泄洪量為1.5 m3/s。

2 大壩滲流分析

2.1 滲流計算邊界及計算工況

本次選用眾樂水庫2009年1月實測壩頂高程平均為100.0 m,壩長350 m,最大壩高19 m,壩頂寬4 m。大壩上游坡比迎水坡為1∶2.5,背水坡 1∶2,1∶2.5。

滲流計算選用斷面見圖1。

根據SL 274-2001碾壓式土石壩設計規范規定,對以下水位組合的工況進行計算:

1)上游正常水位與下游相應的最低水位;2)上游設計洪水位與下游相應的水位;3)上游校核洪水位與下游相應的水位。

根據本次水文復核結果,本次滲流計算時上游水位分別為:正常水位89 m,設計洪水位90.24 m,校核洪水位91.05 m。根據本次勘探資料,由于壩基地層巖性為混合土卵石,滲透系數為7.0×10-5cm/s,屬于弱透水土體。因此,本次滲流計算時計入壩基滲漏,壩基深度取15 m。

2.2 滲流計算理論及計算程序

大壩滲流計算采用平面有限元法進行。由于大壩已運行多年,可認為土體完全固結,采用不可壓縮滲流方程,認為滲透系數各向同性,穩定滲流水頭函數滿足如下方程:

其中,Γ1,Γ2均為流量邊界;q為流量函數;h為水頭函數;t為時間;x,y均為坐標。

將上述方程采用加權殘余法進行離散,用有限元法求解。有限元網格尺寸為1.0 m,土層滲透系數按各向同性考慮。

本次滲流計算程序選用北京理正軟件設計研究院編制的《理正巖土系列軟件——滲流分析程序》平面有限元法分析大壩滲流,程序功能有:

1)可處理各種非勻質土層分布及復雜壩體情況;2)可設置給定水頭,給定流量,不透水邊界等多種邊界條件;3)自動計算浸潤線。

輸出等勢線、流線、浸潤線各種計算結果曲線等。

2.3 滲透坡降計算

滲透坡降J計算公式按照達西定律基本公式:

其中,J為滲透坡降;L為滲透途徑長度;ΔH為上、下游水頭差。

2.4 滲流量及滲流水深計算

參照《水工設計手冊》(水利電力出版社)第三卷結構計算,大壩滲流量及滲流水深采用下列公式計算:

1)不透水地基均質土壩:

2)有限透水地基均質土壩:

2.5 計算成果分析

1)計算成果統計見表1。2)滲流穩定分析。

計算結果表明,下游壩殼出溢坡降最大為0.4,小于允許滲透比降。因此,大壩下游坡滲透溢出是安全的。

3 結構穩定分析

3.1 壩體斷面資料

穩定分析計算斷面選用2009年1月眾樂水庫實測壩體斷面,所取斷面為大壩上主河槽段最大壩高斷面。測量成果顯示:大壩自壩頂向下,上游邊坡為1∶2.5,下游邊坡為 1∶2,1∶2.5,壩頂長350 m,壩頂寬 4 m,最大壩高19 m。計算選取斷面見圖1。

表1 滲透坡降和滲流量表

3.2 壩坡穩定分析

1)壩坡穩定分析計算工況。根據SL 274-2001碾壓式土石壩設計規范的要求,并結合水庫的運用情況,穩定分析計算工況為:a.正常工況:正常水位89 m時形成穩定滲流期上、下游壩坡穩定;設計洪水位90.24 m時形成穩定滲流期上、下游壩坡穩定;b.非常工況:庫水位由校核水位91.05 m突降至正常水位89 m時,上游壩坡穩定。

2)壩坡穩定分析成果。眾樂水庫大壩穩定性按Ⅴ級建筑物標準進行核算,根據SL 274-2001碾壓式土石壩設計規范,采用Bishop法計算時,安全系數應滿足:正常情況不小于1.25;非常情況不小于1.15。瑞典圓弧法計算時,安全系數應滿足:正常情況不小于1.15;非常情況不小于1.06。壩坡穩定最小安全系數見表2。

表2 壩坡抗滑穩定最小安全系數

3)壩坡穩定分析。參考SL 252-2000水利水電工程等級劃分及洪水標準,SL 274-2001碾壓式土石壩設計規范,采用Bishop法計算壩坡穩定時,Ⅴ級建筑物的容許安全系數為:正常情況1.25,非常情況1.15。采用瑞典圓弧法計算壩坡穩定時,安全系數可降低8%,即正常情況不小于1.15,非常情況不小于1.06。壩坡穩定核算結果顯示,采用Bishop法計算時,眾樂水庫大壩上、下游壩坡,在正常情況下安全系數均大于1.25,在非常情況下安全系數均大于 1.15。因此,眾樂水庫大壩上、下游壩坡,在正常情況、非常情況下安全系數均大于設計規范值,上、下游壩坡整體上均是穩定的。

4 結語

文章結合眾樂水庫工程的實際情況進行了綜合的安全評價,并采用相關資料解決了安全評價過程中所遇到的問題。大壩上下游抗滑穩定基本滿足規范要求,但大壩坡面排水系統不健全,大壩上、下游坡均為卵石護坡,水庫建成時無溢洪道,近期人工開挖而成的溢洪道斷面較小,無消能措施,土體穩定性較差,放水管砌筑質量差,局部出現裂縫,并有滲水和射流現象。因此,大壩結構安全性評價為C級;大壩下游坡滲透穩定滿足規范要求,但是,由于水庫未經過高水位的考驗,且副壩壩體與壩基接觸帶未處理及輸水洞可能存在滲漏問題,因此,該工程的滲流安全定為B級;綜合評價該大壩為三類壩。

[1]SL 252-2000,水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].

[2]SL 274-2001,碾壓式土石壩設計規范[S].

[3]《水工設計手冊》編寫組.水工設計手冊[M].北京:水利電力出版社,2002.