姜家溝水庫除險加固工程土壩壩體防滲計算

林漢彪，吳 紅

(1.勃利縣九龍水庫管理處，黑龍江勃利 154500;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

姜家溝水庫除險加固工程土壩壩體防滲計算

林漢彪1，吳 紅2

(1.勃利縣九龍水庫管理處，黑龍江勃利 154500;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

對尚志市姜家溝水庫土壩的防滲功能進行了闡述，對壩體及壩基進行了滲透分析，計算并復核了壩坡穩定。

滲流量;浸潤線;滲流分析;壩坡穩定

1 工程概述

姜家溝水庫位于黑龍江省尚志市老街基鄉姜家溝村境內，行政上隸屬尚志市水務局直接管轄。壩址地理坐標為E128°00'，N44°58'。水庫壩址以上集水面積為17.6 km2，多年平均徑流量493萬m3，水庫原設計總庫容為158萬m3，是以灌溉為主，兼顧防洪、養魚等綜合利用的小(1)型水利樞紐。

2 土壩工程布置

本次設計土壩壩長為800 m，設計壩頂高程為132.70 m，平均壩高5 m，壩頂寬5 m。壩頂路面采用砂石路面，路面厚度20 cm，路頂兩側路緣石，寬15 cm，高40 cm。土壩加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用1∶2.5。土壩壩腳采用梯形混凝土固腳，頂寬40 cm，底寬80 cm，高80 cm。在高程127.20 m以下采用拋石型式，拋石頂寬度3 m，坡比為1∶1.5。上游護坡型式為現澆混凝土板護砌，混凝土板厚20 cm，下設0.1 m礫石和無紡布一層，下游采用草皮護坡，設貼坡排水體及排水溝。

3 壩體滲流分析及控制

依據(SL274－2001)《碾壓式土石壩設計規范》、《水工設計手冊》中有關公式進行計算。本土壩是均質土壩，壩基為黏土層，故壩基總的滲水量不大，根據地質資料，對大壩滲流進行分析。土壩斷面以壩標準斷面為例，滲透計算按均質壩、壩腳無排水設備時最不利情況計算。滲流計算主要是確定各種控制水位時浸潤線位置及滲透比降，據此進行壩基與壩坡的滲透安全分析，滲流計算采用有限深不透水地基上的均質土壩。

3.1 滲流量計算

1)對于壩基黏性土較厚的壩段，按不透水地基均質壩進行計算，壩體滲流計算為:

式中:q為單位寬度滲流量，m3/s·m;m1、m2為上、下游坡比k為壩體滲流系數，m/s;H1為壩前水深，m;H2為壩后水深，m;L為上游水位距下游壩腳的水平長度;h0為下游出逸點高度，m。

3.2 壩體浸潤線計算

計算公式為:

3.3 下游坡滲流比降計算

下游無水情況，不透水地基壩坡出逸點處滲流比降按下式計算公式為:

式中:J0為下游背水坡出口比降;m2為下游坡比。壩坡出逸點處與壩趾處交點之間呈直線變化。各種計算情況的計算結果詳見表1。

表1 土壩滲流量、下游逸出點高度計算成果表

土壩經過加高培厚之后，經計算，堤坡抗沖刷破壞的臨界比降Jc為0.564，因此土壩下游坡滲流出逸段處的比降均滿足設計要求。

4 壩坡穩定復核

壩穩定分析主要找不利穩定情況進行計算，水庫在正常水位情況下，且浸潤線已基本形成，滲透水壓力指向下游，對下游壩坡穩定是最不利的，因此本次設計共計算以下工況:穩定滲流期的上、下游壩坡;最不利水位對應的上、下游壩坡，穩定分析選擇最大壩高斷面進行計算，計算代表斷面為0+579。

壩坡抗滑穩定計算采用剛體極限平衡法。對于均質壩采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，計算公式為:

式中:W為土條重量，kN;u為作用與土條底面的孔隙壓力，kN/m2;α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°;b為土條寬度，m;c′、φ′為土條底面的有效應力抗剪強度指標，kN/m2;R為圓弧半徑，m。

根據工程地質勘探和土工試驗成果，結合地形條件、土壩高度和填筑材料等，共選取1個典型斷面進行穩定計算。

采用北京水利水電科學研究院編制的《土壩邊坡穩定計算軟件》“STAB2005”進行計算。

由于現狀土壩上、下游坡比較緩，因此維持原坡比不削坡，從后坡加高培厚，土壩加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用 1∶2.5。

本次選取代表斷面0+579進行計算，求得的壩坡穩定系數見下表2。

表2 壩坡穩定系數表 m

姜家溝水庫為Ⅳ等4級建筑物，允許最小抗滑穩定安全系數:

正常運用K=1.25，非常運用K=1.15

從表2可見，本次設計土壩仍采用現狀坡比，加高培厚部分的上游坡比采用1∶3，下游坡比采用1∶2.5。均能滿足最小安全系數要求。

5 壩基滲透分析及控制

經地質勘探壩基土巖性主要為低液限黏土①、低液限粉土②，厚度≥5.90 m，分布連續，屬中等壓縮土，壩基土的垂直滲透系數為＜1.00×10－7cm/s，為相對不透水層，①、②層其下③層是級配良好粗砂，④層是級配不良細礫。壩基滲漏量甚小，在高水頭的作用下，③層級配良好粗砂與④層級配不良細礫易發生滲透破壞，破壞形式為管涌類型，其允許滲透水力比降建議值〔J〕允許=0.20。應用理正程序采用有限元方法，經計算，③、④層的滲透比降接近于0，＜〔J〕允許。壩基不會產生滲漏，壩基土的滲透穩定性較好，因此對壩基不做防滲處理。

姜家溝水庫帶病運行多年，嚴重影響下游人民生命產財產安全，除險加固工程可以從根本上解除水患，改善農業生產條件，增強抗御水旱災害的能力，促進農村經濟發展，增加農民收入，保護和改善了水庫下游防洪安全，為促進社會穩定發展、提高種植業經濟效益，加快區域地方政治、經濟、文化等發展起到積極的作用。

［1］ 黑龍江省水利水電勘測設計研究院.尚志市姜家溝水庫除險加固工程初步設計報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2011.

TV698.23

B

1007－7596(2011)05－0053－02

2010－12－26

林漢彪(1965－)，男，黑龍江勃利人，工程師;吳紅(1965－)，女，黑龍江哈爾濱人，高級工程師。