垅頭水庫大壩壩體抗滑穩定性分析

林文鋒

(福建省安溪縣水利局，福建安溪362400)

1 水庫概況

垅頭水庫位于安溪縣城廂鎮墩坂村，屬晉江西溪英溪支流，水庫壩址以上流域面積0.84 km2，總庫容34.4萬 m3，其中防洪庫容7.29萬m3，興利庫容21.21萬m3，死庫容5.9萬m3。是一座以灌溉為主，結合養殖等綜合效益的小(2)型水庫。工程于1959年10月建成，2001年10月，大壩壩體灌泥漿加固、防治蟻患。2003年底，由于放水設備損壞，水庫限制水位。2007年5月，大壩壩體迎水坡澆筑混凝土面板防滲，處理放水設備。水庫設計灌溉面積80 hm2，現實際灌溉面積53.3 hm2。

2 壩體穩定計算方法介紹

土壩體積很大，在水壓力作用下整個壩體產生水平滑動的可能性通常不存在，故僅需核算上下游壩坡的抗滑穩定。一般分施工期、穩定滲流期和庫水位降落期3種類型。土壩的抗滑穩定主要由土壩的抗剪強度決定，土體抗剪強度式1確定:

式中:τ為土體抗剪強度;c'土體內黏聚力;σ為垂直于滑動面的法向總應力;u為孔隙水壓力;σ'為法向有效應力;σ'、φ'為土料有效抗剪強度指標，分別代表凝聚力和內摩擦角，由試驗確定。

計算壩體抗滑穩定計算的方法有瑞典圓弧法、簡化畢肖普和蒙哥斯特-普萊斯等方法，各種方法具有其各自的特點，考慮的因素有所不同，垅頭水庫采用簡化畢肖普方法計算，本文因此重點討論簡化畢肖普法在垅頭水庫壩體抗滑穩定性計算中的應用。

3 簡化畢肖普法計算壩體抗滑穩定性

3.1 方法介紹

穩定計算斷而選取最大斷面，大壩穩定計算采用《土石壩邊坡穩定分析程序》。該程序按照“水工建筑物抗震設計規范”、“碾壓土石壩設計規范”編制，并參考了“土壩壩坡穩定計算程序”，程序在計算方法方面采用簡化必肖譜法。其計算公式為:

式中:R0為滑弧半徑;Mc為水平向地震慣性力(ΣDh)對圓心的力矩。

式中:Σh為某一土條的總高度;ΣDh(ΣDv)為某一土條的水平(垂直)地震力總和，按《水工建筑物抗震設計規范》規定數據采用;α為土條底面中點處切線與水平線的夾角:z為壩坡處水位高出土條底面中點的距離，采用總應力法，此項計零;γ0為水容重(γ0=1);Us為在條塊底而中點處的孔隙水壓力值，采用總應力法，此項計零:C、Φ為土的強度指標，根據采用計算方法而定;為計算抗滑滑動時單位寬度土條的重量。

3.2 計算工況選擇

大壩壩型為均質土壩，壩基高程為20.00 m，最大壩高為10.50 m，壩頂長137.0 m，壩頂寬9.0 m。水庫采用洪水標準為30 a一遇洪水設計，相應設計洪水位為29.75 m，300 a一遇洪水校核，相應校核洪水位為30.30 m，正常蓄水位為28.80 m，死水位為22.40 m。壩面高程30.50 m。迎水坡坡比1∶1.5，背水坡坡比1∶2.0。

針對垅頭水庫水文變化特點及壩體特性，分3種運行情況及下屬九種運行工況進行計算，具體見表1。

表1 抗滑穩定性計算工況

3.3 各種工況下大壩穩定安全系數A

大壩為均質士壩，大壩土體主要物理力學指標根據工程地質鉆探及試驗資料，選取表2中數值進行計算。

表2 壩體主要物理指標

利用簡化畢肖普法結合上述數據對每種工況進行抗滑穩定性計算。水庫大壩屬于5級建筑物，根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)規定，采用計條塊間作用力的簡化畢肖普法計算壩坡穩定安全系數時，正常工況下的安全系數≥1.25;非常運用I工況下不考慮地震影響安全系數≥1.15;非常運用II工況下考慮地震影響安全系數≥1.10。計算結果結果見表3。

表3 各種工況下大壩穩定安全系數表

3.4 計算結果分析

1)從表3中可以看出，大壩各工況的穩定安全系數均能夠滿足規范規定的要求。因此，大壩的穩定性理論上是能夠達到規范要求的。因此，壩坡穩定，不需要對壩坡進行抗滑穩定處理［1］。

2)比較工況2、4、6，其上游庫水位逐漸升高，穩定安全系數逐漸降低，對此現象可作如下解釋:上游庫水位升高，壩體內部浸潤線隨之上移，下游壩坡局部摩擦力較小，由于整個下游壩坡處于凌空面，故整體抗滑穩定能力減弱，安全系數減小。

3)比較工況1、5、7，工況7的安全系數明顯小于前兩者，說明水位驟降對安全系數的影響很大，其原因為水位驟降，壩體內部的水體未能及時排出，導致壩體抗剪能力減弱，同時處于凌空面，穩定性降低。故在實際工程應對水位驟降給予足夠的重視。

4)對比工況1和8及2和9，地震導致壩體的安全系數明顯降低，對壩體穩定性產生很大影響。故在工程設計過程中應充分考慮地震(非常荷載)作用，選擇相應的設計等級。

4 結語

利用簡化畢肖普法對垅頭水庫壩體穩定性進行驗算，結果表明，垅頭水庫壩體滿足穩定性要求，安全系數均大于規范要求值;同時，對比個工況計算結果，可以得出:上游庫水位變化與下游壩坡安全系數變化趨勢相反;水位驟降對上游壩坡抗滑穩定性影響大，工程管理運行時應十分注意;地震(非常荷載)對壩體穩定性影響巨大，工程設計時需要充分考慮，以免造成不可估量的損失。

［1］溫中華，周娟，熊秋曉.重力壩抗滑穩定分析［J］.人民黃河，2008(12):114-115.