復(fù)合土工膜土石壩材料分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)

元建忠，吳孝琴

貴州省貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)水利局，貴州貴陽(yáng) 550018

1 基本情況

我局及市局領(lǐng)導(dǎo)對(duì)此非常擔(dān)憂，為避免上游土工膜破壞后壩體失效，確保大壩防滲體達(dá)到良好防滲效果，多次請(qǐng)水利專家、設(shè)計(jì)單位到現(xiàn)場(chǎng)共同研討，決定對(duì)金家箐水庫(kù)大壩材料作進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)成果如下：

1.1 工程地質(zhì)

壓縮性屬中壓縮性類(lèi)。該土料既具備較高的飽和與非飽和抗剪強(qiáng)度，又能起到較好的防滲效果，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 大壩分區(qū)設(shè)計(jì)

水庫(kù)大壩為復(fù)合土工膜防滲土石壩，壩頂高程1319.5m，防浪墻頂高程1320.5m，大壩基礎(chǔ)開(kāi)挖最低高程1295.20m，最大壩高24.3m，壩頂寬度5m，壩頂軸線長(zhǎng)102.05m。

1.2.1 大壩分區(qū)調(diào)整

在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加粘性土料填筑區(qū)，即筑壩材料及功能從上游到下游將壩體分為上游保護(hù)層、土工膜上墊層、防滲復(fù)合土工膜、下墊層、粘性土料填筑區(qū)、風(fēng)化料填筑體、下游護(hù)坡及排水等。

1.2.2 分區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算

1）各分區(qū)力學(xué)參數(shù)根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)，將壩體分為4 個(gè)區(qū)，（1）壩基材料；（2）為粘土料回填區(qū)、（3）為風(fēng)化料回填區(qū)；（4）為防滲土工膜；（5）為排水棱體，各區(qū)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)提供的參數(shù)建議值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及工程類(lèi)比，各區(qū)物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)下表：

2）荷載組合及工況

荷載：（1）穩(wěn)定滲流期正常高水位的滲透壓力；（2）壩體自重；（3）最高洪水位時(shí)形成的穩(wěn)定滲透壓力； 由于工程區(qū)地震烈度小于Ⅵ度，故不考慮地震作用。計(jì)算工況：工況一，正常運(yùn)行工況：①＋②，工況二，洪水運(yùn)行工況：②＋③；

3）計(jì)算方法：滲流穩(wěn)定分析：采用有限元法；抗滑穩(wěn)定分析：圓弧型滑動(dòng)：采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算；

4）大壩滲流計(jì)算：（1）滲流計(jì)算目的是確定壩體浸潤(rùn)線，并供壩體穩(wěn)定計(jì)算之用，得出壩體浸澗線；（2）計(jì)算參數(shù)：滲透系數(shù)見(jiàn)壩體力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)值表；（3）計(jì)算工況及方法

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）有關(guān)規(guī)定：

考慮土工膜+粘土防滲工況：

①穩(wěn)定滲流期壩體浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：壩體單寬最大滲流量為2.55×10-6m3/s，按壩體寬度101.75m 計(jì)算，壩體最大總滲流量為2.6×10-4m3/s，即約0.26L/s。②水位降落期壩體浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，庫(kù)水位由1317.00m 降至1309.00m 高程，水位降落方式為驟降，最大滲透比降為J=0.10。

考慮土工膜破壞，僅由粘土料進(jìn)行防滲工況：①穩(wěn)定滲流期壩體浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：壩體單寬最大滲流量為5.5×10-5m3/s，按壩體寬度101.75m 計(jì)算，壩體最大總滲流量為5.6×10-3m3/s，即約5.6L/s。②水位降落期壩體浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，庫(kù)水位由1317.00m 降至1309.00m 高程，水位降落方式為驟降，最大滲透比降為J=0.12。

5）壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），需對(duì)壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。在不考慮地震作用的基礎(chǔ)上采用瑞典圓弧法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：W——土條重量；u——作用于土條底面的孔隙壓力；α——條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑間的夾角；b——土條寬度；c/、φ/——土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

6）防滲體穩(wěn)定計(jì)算

由于復(fù)合土工膜與土石介質(zhì)間的摩擦系數(shù)及土石介質(zhì)間的摩擦系數(shù)將影響防滲體的穩(wěn)定，必須復(fù)核復(fù)合土工膜與壩坡、復(fù)合土工膜與保護(hù)層的抗滑穩(wěn)定性。根據(jù)《規(guī)范》(SL/T225-98)，復(fù)合土工膜穩(wěn)定性驗(yàn)算公式按附錄式A.3.1：

表1 壩基及壩體力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)值

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析表

式中：FS—安全系數(shù)；δ—上墊層與土工膜之間的摩擦角；α—土工膜鋪設(shè)坡角。

設(shè)計(jì)上墊層采用細(xì)砂，根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)砂與PE 復(fù)合土工膜之間的磨擦角約30°左右，由此得tgδ=0.577。壩體上游坡坡比為1：2.25，即tgα＝0.444 。所以FS=0.577/0.444=1.3 ＞1.25。

3 各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析

見(jiàn)表2

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算表明：1）在土工膜完好工況下，壩體最大滲流量由原設(shè)計(jì)的0.91L/s 降低為0.26L/s，年滲流量最大由2.87萬(wàn)m3減少到8200 m3，略有改善；2）在土工膜被完全破壞工況下，原設(shè)計(jì)壩體滲流量最大滲流量為21L/s，分區(qū)調(diào)整設(shè)計(jì)壩體滲流量最大滲流量為5.6L/s，按最大滲流量計(jì)算，滲流量由66.2 萬(wàn)m3減少17.6 萬(wàn)m3，改善作用明顯。

[1]陶碧芳，陳敏濤，曾紅.貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)金家箐水庫(kù)工程壩體材料分區(qū)專題論證報(bào)告.