鷹盤山水庫大壩安全分析評價(jià)

蔡景禮

( 黑龍江省八五六農(nóng)場水務(wù)局，黑龍江 虎林158418)

1 工程概況

鷹盤山水庫位于五常市山河屯林業(yè)局境內(nèi)，地理坐標(biāo)為N44°28'45″，E127°48'50″，是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼顧抗旱水源、養(yǎng)魚、防洪等綜合利用的小(1) 型水庫。水庫主要建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:10 a一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a一遇洪水校核［1］。

2 大壩工程質(zhì)量

土壩為黏土均質(zhì)壩，土壩全長800 m，壩頂高程在288.00 ～289.86 m，東側(cè)壩肩處稍低，高程為288.00，壩頂寬度5.0 ～6.0 m，最大壩高5.09 m，上游邊坡坡比為1∶1.6 ～1∶2.5，下游邊坡坡比為1∶1.3～1∶2.3，壩后無排水設(shè)施。土壩迎水坡水位變化區(qū)護(hù)坡破壞嚴(yán)重，塊石粒徑較小，雜草叢生; 壩后無護(hù)坡，雜草叢生，壩體下游側(cè)出現(xiàn)多處寬約5 ～10 cm的縱向沉陷裂縫。

3 壩頂高程復(fù)核

3.1 壩頂高程

壩頂高程由設(shè)計(jì)洪水位加超高與校核洪水位加超高比較后取最大值確定，依據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，要有3 種情況應(yīng)修正。

3.2 壩頂超高計(jì)算

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］( SL274—2001)的規(guī)定，壩頂在水庫靜水位以上的超高由下式確定:

式中: Y 為壩頂超高，m; R 最大波浪在壩坡上的爬高，m; e 為最大風(fēng)壅水面高度，m; A 為安全加高，對于Ⅳ等4 級的土壩，設(shè)計(jì)情況為0.5 m，校核情況為0.3 m。

3.3 波浪要素計(jì)算

水庫風(fēng)浪要素按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL274—2001) 的要求確定，波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田實(shí)驗(yàn)站公式計(jì)算，計(jì)算公式如下:

式中: hm為平均波高，m; Tm為平均波周期，s; W 為計(jì)算風(fēng)速，m/s; D 為風(fēng)區(qū)長度，m; Hm為水域平均水深，m; g 為重力加速度，m/s2; Lm平均波長，m; H 為壩迎水面前水深，m。

3.4 波浪爬高

波浪爬高按下式計(jì)算:

式中: K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù); KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與無維量有關(guān); m 為單坡的坡度系數(shù)。

3.5 風(fēng)壅水面高度

風(fēng)壅水面高度按下式計(jì)算:

式中: K 為綜合摩阻系數(shù)，K =3.6 ×10－6; W 為計(jì)算風(fēng)速，m/s; D 為風(fēng)區(qū)長度，m; Hm為水域的平均水深，m; β 為計(jì)算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角。經(jīng)計(jì)算，壩頂高程應(yīng)為289.85 m。土壩現(xiàn)狀頂高程為288.00 ～289.86 m，現(xiàn)狀壩頂高程不滿足要求。

4 大壩結(jié)構(gòu)安全

4.1 計(jì)算工況選取

本次設(shè)計(jì)分別計(jì)算蓄水的各個(gè)時(shí)期不同荷載下土壩穩(wěn)定性，共計(jì)算以下3 種工況: ①設(shè)計(jì)洪水位期的下游壩坡;②校核洪水位期的下游壩坡; ③水庫水位為1/3 壩高水位時(shí)的上游壩坡。

4.2 計(jì)算方法

壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法，對于均質(zhì)壩采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法，計(jì)算公式如下:

式中: b 為土條寬度，m; W 為土條重量，m; Q、V 為分別為水平和垂直地震慣性力( 向上為負(fù)，向下為正) ; Z 為壩坡外水位高出條塊底面中心點(diǎn)的距離;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心的半徑之間的夾角，度; c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo); M 為水平地震慣性力對圓心的力矩; R 為圓弧半徑。

4.3 計(jì)算斷面選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)成果，結(jié)合地形條件、土壩高度和填筑材料等，選取最大壩高斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。壩體和壩基土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)設(shè)計(jì)值根據(jù)工程地質(zhì)勘察和土工試驗(yàn)成果選取，計(jì)算采用指標(biāo)見表1。

表1 壩體材料物理力學(xué)指標(biāo)表

采用理正軟件程序計(jì)算，上游邊坡坡比1∶2.0，下游邊坡坡比1∶2.5，對各種工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL274—2001) 規(guī)定: 壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù):對于4 級壩，在正常運(yùn)用條件下，≥1.15，在非常運(yùn)用條件Ⅰ下，≥1.05。典型斷面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 壩體穩(wěn)定計(jì)算成果表

計(jì)算結(jié)果表明，土壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)，抗滑穩(wěn)定滿足要求。

5 滲流安全

5.1 工況及斷面選取

參照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》( SL189—96)［3］，滲流計(jì)算水位組合情況為: 上游正常蓄水位與下游不利水位。

計(jì)算斷面及滲透系數(shù)選取，根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)成果，壩體滲流計(jì)算選取最大剖面，土壩的滲透系數(shù)見表3。壩基滲流計(jì)算采用雙層地基結(jié)構(gòu)。

表3 滲透系數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

5.2 壩體滲流計(jì)算方法及成果

1) 滲流量及出逸點(diǎn)高度計(jì)算: 根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50286—98)［4］采用不透水地基滲流

計(jì)算:

式中: q 為單位寬度滲流量，m3/s·m; k 為堤身滲透系數(shù)，m/s; H1為上游水位，m，取1.64m; H2為下游水位，m，取0m; h0為下游出逸點(diǎn)高度，m; m1為上游坡坡率，取1.6; m2為下游坡坡率，取1.5。

2) 浸潤線方程按下式計(jì)算:

3) 背水坡滲流出口比降按下式計(jì)算

滲出點(diǎn)A 點(diǎn):

堤坡與不水面交點(diǎn)B 點(diǎn):

式中: J0為下游無水背水坡出口比降;滲流計(jì)算成果見表4。

表4 滲流計(jì)算成果表

4) 壩坡抗沖刷破壞的臨界比降計(jì)算

式中: γ'為土的浮密度，取9.02kN/m3; γw為水的密度，9.8kN/m3; γ 為土的濕密度，18.82kN/m3; φ 為土的水下內(nèi)摩擦角，取17.5°; β 為壩坡的坡角，取37.6°; c 為土的凝聚力，為22 kPa; K 為安全系數(shù)，取1.5。經(jīng)計(jì)算得: ［Jc］=0.82

壩體滲流出口比降小于臨界比降，壩坡滿足滲流穩(wěn)定要求。

5.3 壩基滲流計(jì)算方法及成果

根據(jù)地質(zhì)資料，壩基為雙層地基結(jié)構(gòu)，表層土透水性較弱，下部透水性較強(qiáng)，且兩層滲透系數(shù)相差較大，比值大于100，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50286—98) 采用雙層地基滲流計(jì)算:

式中: A 為越流系數(shù); L 為臨水側(cè)等效長度，m; h 為CD 段弱透水層底板承壓水頭，m; H 為上、下游水位差，取1.64m; k0為強(qiáng)透水堤基滲透系數(shù)，k =0.3 cm/s; k1為弱透水堤基滲透系數(shù)，k =4.0 ×10－6cm/s; T0為強(qiáng)透水堤基層厚度，4.2 m; T1為弱透水堤基層厚度，3.0 m。

強(qiáng)透水堤基滲透系數(shù)0.3 cm/s，弱透水堤基滲透系數(shù)滲透系數(shù)為4.0 ×10－6cm/s。計(jì)算得表層土在壩下游坡腳點(diǎn)的出逸比降為0.530，小于黏土允許出逸比降0.616，壩基滲透穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

通過滲流計(jì)算，壩坡出逸比降小于允許滲透比降，壩體滿足滲透穩(wěn)定要求。壩基為雙層地基結(jié)構(gòu)，表層為低液限黏土，下層為粗砂，通過對壩基的滲流穩(wěn)定計(jì)算，得出下游壩基表面的出逸比降小于表層土的允許滲透比降，壩基滿足滲透穩(wěn)定要求。土壩經(jīng)加高后才能更好的發(fā)揮主體工程效益，建議早日對鷹盤山水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

［1］黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院. 五常市鷹盤山水庫大壩安全分析評價(jià)報(bào)告書［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2011.

［2］黃河水利委員會(huì)勘測設(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.

［3］中華人民共和國水利部.SL189—96 小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］. 北京:中華人民共和國水利部，1996.

［4］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.GB50286—98 堤防設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.