某土石壩安全計算分析與評價

白正廣

【摘 要】本文針對某高土質(zhì)心墻堆石壩進行了滲流、穩(wěn)定和應(yīng)力變形分析。結(jié)果表明，壩體、壩基的滲漏量和滲透比降很小，浸潤線位置也很低；各工況壩坡最小安全系數(shù)均達到規(guī)范要求；各工況壩體小主應(yīng)力均大于0，應(yīng)力水平小于1，心墻在蓄水期和運行期不會產(chǎn)生水力劈裂，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計和壩料設(shè)計合理，大壩整體安全可靠，但防滲墻和廊道應(yīng)力較大，需加以注意。

【關(guān)鍵詞】土石壩；滲流分析；壩坡穩(wěn)定分析；應(yīng)力變形分析

0 引言

某水電站擋水建筑物為土質(zhì)心墻堆石壩，最大壩高112m。水庫總庫容為7.26億m3，裝機規(guī)模為150萬千瓦，根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》，該工程為一等大（1）型工程，擋水建筑物為1級建筑物。根據(jù)地震安全性評價，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，大壩抗震設(shè)防類別為甲類。本文通過對大壩滲流、穩(wěn)定和應(yīng)力變形的計算分析，論證了大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計、壩料設(shè)計和防滲設(shè)計的合理性，評價了大壩整體安全性，揭示了需注意的關(guān)鍵部位。

1 土質(zhì)心墻堆石壩壩體剖面及分區(qū)設(shè)計

根據(jù)規(guī)范、工程經(jīng)驗及交通要求，壩頂寬度擬定為15m，壩頂長455m，最大壩高為112m。壩頂上游側(cè)設(shè)置1.2m高的混凝土防浪墻，防浪墻底部深入心墻。大壩上游壩坡坡率初擬為1：2.0，下游壩坡坡率初擬為1：1.9，上游在2030m高程，下游在2040m、2000m高程各設(shè)一寬度為4.5m的馬道。上游壩殼與圍堰結(jié)合布置，采用石渣回填圍堰與壩體之間的空間。心墻頂高程為2078m，頂部寬度為5m，心墻坡比為1：0.25。

根據(jù)壩殼各部分對強度、滲流的要求，并盡量利用開挖石渣料，對壩殼進行分區(qū)設(shè)計。上游壩殼設(shè)1個主堆石區(qū)，采用料場開采的花崗巖堆石料填筑，下游壩殼在過渡料下游設(shè)次堆石區(qū)，采用開挖料填筑，次堆石區(qū)外圍為主堆石區(qū)，采用料場堆石料填筑。心墻采用碎石土料填筑，為提高兩岸心墻對岸坡變形的適應(yīng)性，提高抗?jié)B能力，在心墻底部設(shè)厚度4m的高塑性土區(qū)，同時，為減少壩基廊道和防滲墻承受的壩體壓力，增強心墻和廊道及防滲墻之間的變形能力，在廊道和防滲墻周邊設(shè)厚度3.5m的高塑性土區(qū)。兩岸心墻基礎(chǔ)開挖到弱風(fēng)化巖層，為了防止因基巖裂隙造成心墻底部土料在滲流作用下發(fā)生滲透破壞，在基巖面上設(shè)厚1m的混凝土蓋板。心墻上下游各設(shè)兩道反濾層，下游兩層反濾層水平寬度各為6m，上游兩層反濾層水平寬度各為4m。為防止壩基覆蓋層基礎(chǔ)產(chǎn)生滲透破壞，在心墻底部和下游壩殼底部設(shè)兩層反濾層，每層厚度2.5m。在反濾和壩殼之間設(shè)水平寬度6m的過渡層。上游壩殼2060m高程以上壩面設(shè)厚度1m的拋石護坡，下游壩面采用厚度1m的干砌石護坡。

2 大壩滲流與壩坡穩(wěn)定計算分析

對大壩進行了二維滲流有限元計算[1]。計算工況為上游為正常蓄水位，下游為最低水位的穩(wěn)定滲流。計算采用最大斷面。從大壩等勢線圖看，碎石土心墻和防滲墻組成的防滲體系起到很好的防滲作用，心墻和防滲墻內(nèi)等勢線集中，作用于壩體的滲透水頭基本消減在心墻內(nèi)，下游壩殼的浸潤線與下游水位基本齊平，有效的控制了壩體浸潤線。防滲墻消減了近65m 水頭。設(shè)置防滲墻后，壩體和壩基的單寬滲流量只有7.97m3/d，防滲漏效果非常明顯。心墻平均滲透比降為1.27，小于允許滲透坡降，雖然局部滲透比降大于允許值，但考慮心墻上下游設(shè)置有完善的反濾層，可避免滲透破壞的發(fā)生。壩殼堆石內(nèi)滲透比降基本接近0，壩基的平均滲透比降為0.03～0.19，小于各層允許滲透比降，局部區(qū)域的滲透比降較大，但主要發(fā)生在覆蓋層內(nèi)部，不會造成壩基的滲透破壞。

根據(jù)規(guī)范[2]要求和工程實際情況，大壩壩坡穩(wěn)定計算工況為：①在正常高水位和下游常水位下穩(wěn)定滲流期；②死水位和下游常水位下穩(wěn)定滲流期；③在正常高水位和下游常水位下穩(wěn)定滲流期遇設(shè)計地震；④死水位和下游常水位下穩(wěn)定滲流期遇設(shè)計地震；⑤正常高水位和下游常水位下穩(wěn)定滲流期遇校核地震；⑥死水位和下游常水位遇穩(wěn)定滲流期校核地震；⑦大壩竣工期；⑧庫水位由正常水位快速降落至2015m。計算采用河床最大斷面，浸潤線采用二維滲流有限元計算結(jié)果，大壩穩(wěn)定以畢肖普法計算出的安全系數(shù)來評價，設(shè)計地震的水平動峰值加速度代表值為0.38g，校核地震為0.46g。計算結(jié)果表明，各工況的壩坡最小安全系數(shù)均能達到要求。

3 大壩應(yīng)力變形計算分析

采用比奧固結(jié)理論[3]，進行了大壩二維應(yīng)力變形有限元計算。壩料和壩基覆蓋層本構(gòu)模型采用鄧肯-張E-B模型。計算工況包括施工期、竣工期、蓄水期和運行期，計算中模擬施工分期加載過程和施工期、蓄水運行期庫水位變化，壩體填筑分為20級，水荷載分為6級。計算模型共劃分為3551個單元，5120個節(jié)點，防滲墻、廊道與壩料和覆蓋層之間設(shè)接觸單元。

（1）壩體沉降與水平位移。壩基覆蓋層內(nèi)含礫粗砂層分布厚度大范圍廣，該層變形模量小，受荷后壓縮變形大。受河床覆蓋層的影響，及防滲墻和廊道對土質(zhì)心墻的頂托作用，壩體的最大沉降有兩個區(qū)域，位于心墻上下游側(cè)，并靠近河床面，竣工蓄水期分別為190cm和202cm，蓄水2年后增加至195cm和207cm。壩體最大水平位移也靠近河床面，蓄水后，整個壩體包括防滲墻下游側(cè)覆蓋層向下游位移了93cm，上游側(cè)覆蓋層向上游位移了20cm。心墻在竣工蓄水時，水平位移最大為95cm，指向下游，由蓄水引起的位移為30cm，位置靠近河床面。

（2）壩體應(yīng)力。受覆蓋層的影響，壩體未出現(xiàn)明顯的拱效應(yīng)現(xiàn)象。竣工蓄水期，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為2.38Mpa和0.95Mpa，出現(xiàn)在毗鄰防滲墻的覆蓋層底部，壩體小主應(yīng)力均大于0，無拉應(yīng)力出現(xiàn)。壩體的應(yīng)力水平均小于1，在靠近壩體上游坡及防滲墻的上游側(cè)達到0.75左右。

（3）壩體孔隙壓力。由于心墻和壩基的滲透系數(shù)較大，施工期產(chǎn)生的超靜孔隙壓力消散很快，在蓄水期很快形成穩(wěn)定滲流場。心墻發(fā)生水力劈裂是由于因拱效應(yīng)造成心墻邊界小主應(yīng)力很低，心墻土料滲透系數(shù)小，在庫水位上升較快下未能形成穩(wěn)定滲流場，而產(chǎn)生較大的滲透梯度造成的。由于大壩拱效應(yīng)現(xiàn)象不明顯，心墻小主應(yīng)力降低不明顯，加上土料滲透系數(shù)較大，水庫水位上升速度不大，不會在心墻邊界形成較大滲透梯度。根據(jù)計算，心墻上游面的水頭壓力均小于小主應(yīng)力，故發(fā)生水力劈裂的可能性較小。

（4）防滲墻和廊道的變形應(yīng)力。防滲墻在竣工蓄水期頂部位移達到60.3cm，大主應(yīng)力沿深度呈拋物線分布，最大值為35Mpa，發(fā)生在一半墻深偏上部位。小主應(yīng)力局部小于0。廊道與防滲墻剛性連接，在防滲墻頂托和心墻重量作用下，應(yīng)力較大，大主應(yīng)力最大達到23.6Mpa，小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大6.8Mpa。

4 結(jié)論

大壩安全計算分析表明，壩址河床覆蓋層采用全斷面混凝土防滲墻是可行的，無論是壩基滲漏量還是壩體和壩基的滲透比降都很小，下游壩殼的浸潤線位置也很低。大壩在各種工況下的壩坡最小安全系數(shù)均達到規(guī)范要求。心墻在蓄水期和運行期不會產(chǎn)生水力劈裂，覆蓋層力學(xué)性狀對壩體應(yīng)力變形影響較大，壩體各工況的小主應(yīng)力均大于0，壩體應(yīng)力水平小于1，但防滲墻和廊道應(yīng)力較大，需加以注意。計算表明大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計和壩料設(shè)計是合理的，大壩是安全可靠的。

【參考文獻】

[1]毛昶熙.滲流計算分析與計算[M].北京：水利電力出版社，1990.

[2]中華人民共和國行業(yè)標準編寫組.DL/T 5395-2007 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2008.

[3]林繼鏞.水工建筑物[M].4版.北京：中國水利水電出版社，2009.

[責任編輯：薛俊歌]