克山縣聯(lián)合水庫大壩下游坡穩(wěn)定計(jì)算分析

赫 軍

( 齊齊哈爾市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

聯(lián)合水庫位于克山縣河南鄉(xiāng)境內(nèi)南10 km處，在嫩江水系潤津河支流聯(lián)合溝上，地理座標(biāo)為E126°02'16″，N47°54'16″。水 庫 原 設(shè) 計(jì) 灌 溉 旱 田 面 積666.7 hm2，對下游2個村屯、0.2 萬畝耕地及草原的防洪安全在起到一定的保護(hù)作用。水庫集水面積2.18 km2，是一座以抗旱灌溉為主，兼顧防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小(2) 型水庫。［1］

聯(lián)合水庫始建于1969年，水庫原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)200 a一遇。水庫原校核總庫容為49 ×104m3，興利水位為251.70 m。水庫大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩長149 m，壩頂平均高程253.49 m，最大壩高8.19 m。迎水坡比1∶2.5，背水坡1∶1.5，壩頂寬4.0 m。

土壩無護(hù)坡，由于多年風(fēng)浪沖刷，冰凍推力作用及下游截流溝的侵蝕，大壩在原有泄洪洞處被沖出深約10 m、寬30 m的大坑，原有泄洪洞被沖毀，嚴(yán)重影響大壩安全。經(jīng)復(fù)核，現(xiàn)狀大壩不滿足5 a一遇洪水校核標(biāo)準(zhǔn)，大壩實(shí)際防洪標(biāo)準(zhǔn)低。按校核水位復(fù)核，計(jì)算壩頂高程為254.38 m，大壩現(xiàn)狀壩頂高程低0.46 m。設(shè)計(jì)土壩樁號0 －010 ～0 +185，總長度195 m，設(shè)計(jì)壩頂高程253.95 m，壩頂寬4 m，迎水側(cè)邊坡比1∶3，背水側(cè)邊坡比1∶2.5。

1 基本資料

以黑龍江省克山縣聯(lián)合水庫大壩0 +100 處為計(jì)算斷面，水庫正常蓄水位251.70 m，設(shè)計(jì)洪水位252.45 m，校核洪水位253.18 m，大壩頂高程253.95 m，頂寬4 m，下游邊坡坡比1∶2.5，0 +100 處大壩高7.06 m。其物理力學(xué)指標(biāo)c'、φ'值根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果按小值平均值確定，各土層基本資料見表1。

表1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算基本資料表

2 計(jì)算情況與方法

2.1 計(jì)算情況

1) 上游為正常蓄水位，下游為最低水位時，在穩(wěn)定滲流情況下的下游壩坡的抗滑穩(wěn)定情況。

2) 上游為設(shè)計(jì)洪水位，下游為最低水位時，在穩(wěn)定滲流情況下的下游壩坡的抗滑穩(wěn)定情況。

3) 上游為校核洪水位，下游為最低水位時，在穩(wěn)定滲流情況下的下游壩坡的抗滑穩(wěn)定情況。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 瑞典圓弧法

壩體有靜水壓力作用，穩(wěn)定滲流期計(jì)算滑動力矩時，浸潤線以下，靜水位以上的土體用飽和容重;計(jì)算抗滑力矩時，浸潤以下，靜水位以上土體用浮容重;浸潤線以上的土體不論計(jì)算滑動力矩還是抗滑力矩，均用濕容重。計(jì)算公式如下:

2.2.2 簡化畢肖普法

與瑞典圓弧法不同的是畢肖普法考慮條塊側(cè)面的作用力，計(jì)算公式如下:

式中: W 為土條重量; Q、V 為分別為水平和垂直地震慣性力; u 為作用于土條底面的孔隙壓力; α 為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角; b為土條寬度; c'、φ' 土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo); Mc 為水平地震慣性力對圓心的力矩; R 為圓弧半徑。

圖1 大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖

3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表2。

畢肖普法計(jì)算的安全系數(shù)比瑞典圓弧法大。瑞典圓弧法和畢肖普法均稱為圓弧滑動法，二者的區(qū)別在于瑞典圓弧法不考慮條塊側(cè)面上的作用力，而畢肖普法則考慮條塊側(cè)面的作用力。瑞典圓弧法計(jì)算簡單，在大量的工程設(shè)計(jì)中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是瑞典圓弧法理論上有缺陷，當(dāng)空隙水壓力較大和地基較弱時的計(jì)算結(jié)果誤差較大。而計(jì)條塊間作用力的畢肖普法則能反映土體滑動土條間的實(shí)際情況，因此計(jì)算結(jié)果更為合理，畢肖普法的缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，但隨著微型計(jì)算機(jī)在水利行業(yè)推廣和應(yīng)用越來越普及，使復(fù)雜的計(jì)算變?yōu)楹唵位瑥亩鴱浹a(bǔ)了畢肖普法的缺點(diǎn)。

表2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

原碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范( SDJ218—84) 對一般土石壩邊坡穩(wěn)定計(jì)算推薦的是瑞典圓弧法，在修訂后的碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，均質(zhì)壩宜采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算［2］。同樣正在修訂中的堤防設(shè)計(jì)規(guī)范報(bào)批稿也增加了“土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算可采用瑞典圓弧滑動法或簡化畢肖普法”的規(guī)定。從行業(yè)規(guī)范的修訂和發(fā)展也可以看出，畢肖普法作為壩坡抗滑穩(wěn)定的計(jì)算方法將逐步取代瑞典圓弧法。

［1］齊齊哈爾市水利勘測設(shè)計(jì)研究院. 黑龍江省克山縣聯(lián)合水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.齊齊哈爾: 齊齊哈爾市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，2012.

［2］黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. SL274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京: 中國水利水電出版社，2001.