刁口水庫壩體穩(wěn)定計算的探討

□鄭　銳（臨汾市水利勘測設(shè)計院）

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刁口水庫壩體穩(wěn)定計算的探討

□鄭銳（臨汾市水利勘測設(shè)計院）

摘要：刁口水庫工程位于臨汾市蒲縣縣城南8km的昕水河支流南川河的屯里溝上，是一座以調(diào)蓄中部引黃工程和流域內(nèi)地表水，為工業(yè)及生活供水、農(nóng)業(yè)灌溉的小(1)型水庫。刁口水庫是山西省大水網(wǎng)中部引黃工程在蒲縣擬建的調(diào)蓄水庫之一，已列入《山西省黃河流域小型水庫更新建設(shè)規(guī)劃（2011-2015年）》（晉發(fā)改農(nóng)經(jīng)發(fā)〔2011〕1056號）。

關(guān)鍵詞：重力壩；表層抗滑；深層抗滑；抗滑齒槽；工程措施

1　工程概述

蒲縣刁口水庫位于縣城南8 km的昕水河支流南川河的屯里溝上，壩址以上控制流域面積30.60 km2，設(shè)計水庫總庫容191.40萬m3，屬小（1）型水庫。壩體為堆石自密實混凝土重力壩，壩頂全長165 m，寬9 m，壩頂高程1135.00 m，最大壩高40.50 m，大壩自左向右共分為11個壩段，每壩段長15 m。

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000），工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級。防洪標準為30 a一遇洪水設(shè)計，200 a一遇洪水校核。

2　壩址區(qū)工程地質(zhì)

壩址區(qū)地層巖性為：三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)：以厚層、中厚層細砂巖、粉細砂巖、礫巖為主，夾薄層砂質(zhì)泥巖、泥、頁巖。巖層產(chǎn)狀：N33～35°E/NW∠4～11°，傾向左岸偏下游。將劉家溝組基巖劃分為4個巖組（T1l1～T1l4）。

在壩軸線上的2個鉆孔中未發(fā)現(xiàn)泥化夾層，也沒有能連起來的泥巖層，說明泥化夾層在壩址區(qū)分布不連續(xù)，屬于局部透鏡體狀分布。可以說泥化夾層對壩基的抗滑穩(wěn)定影響較小。壩體建在T1l3砂巖之上，壩基下部砂巖中夾有薄層泥巖，但沒有發(fā)現(xiàn)有泥化夾層分布，所以壩基產(chǎn)生淺層和深層滑動的可能性較小。但壩基下部有薄層泥巖分布，易產(chǎn)生軟化泥化，所以存在滑動的潛在因素。由于巖體中有兩組節(jié)理裂隙發(fā)育，壩基巖層傾向與壩軸夾角15～20°，傾向左岸偏下游，壩基巖體完整性一般，對壩體穩(wěn)定存在不利影響。

3　壩體穩(wěn)定計算

3.1壩基表層抗滑穩(wěn)定計算

混凝土與基巖接觸面滑動的計算選取最大壩高斷面進行穩(wěn)定分析，建基面高程為1094.50 m。荷載組合依據(jù)規(guī)范選取。①基本組合：正常高水位情況，自重+靜水壓力+泥沙壓力+揚壓力+浪壓力+其他荷載。設(shè)計洪水位情況，自重+靜水壓力+泥沙壓力+揚壓力+浪壓力+其他荷載。正常加冰凍情況，自重+靜水壓力+泥沙壓力+揚壓力+冰壓力+其他荷載。②特殊組合：校核洪水位情況，自重+靜水壓力+泥沙壓力+揚壓力+浪壓力+其他荷載。正常加地震情況，自重+靜水壓力+泥沙壓力+揚壓力+浪壓力+地震荷載+其他荷載。施工完建期情況，自重+其他荷載。

沿墊層混凝土與基巖接觸面壩體抗滑穩(wěn)定計算公式如下：

由計算公式可知，影響重力壩抗滑穩(wěn)定的主要因素是壩體與地基的抗剪指標、揚壓力、豎向水平荷載。因此，采用合理的工程措施可以增加壩體抗滑穩(wěn)定性：清除第四系松散堆積物和強風(fēng)化基巖，加強壩基的抗滑穩(wěn)定性和整體性。

壩基帷幕灌漿。為降低壩基滲透壓力，減少壩基滲流量，在壩基軸線下0+003.50處設(shè)一排防滲帷幕，由于壩基下相對隔水層埋藏較深，帷幕采用懸掛式。

排水系統(tǒng)設(shè)計。壩體排水孔：為了降低壩體內(nèi)的揚壓力，減小滲水對壩體的不利影響，在壩軸線下游3 m處布設(shè)φ150無砂混凝土排水管，排水管頂高程1135.00 m，管底伸至縱向廊道，而后接PVC管伸至縱向廊道上游側(cè)排水溝，擋水壩段壩體排水管間距均為3 m。

壩基主排水孔：為減少壩基滲透壓力，在壩基樁號0+005設(shè)一排φ150PVC主排水孔，孔深15 m，間距3 m,下游傾角15°。壩基滲水通過主排水管流入縱向廊道排水溝，由橫向廊道集中排水到下游集水井，并設(shè)水泵抽出壩外。

依據(jù)規(guī)范中的壩體抗滑穩(wěn)定計算，壩基滲透壓力強度系數(shù)選取α=0.30，荷載組合考慮正常高水位加排水失效情況，滲透壓力強度系數(shù)選取α=0.75。其余計算參數(shù)依據(jù)規(guī)范，并結(jié)合已有工程及施工地質(zhì)提供的資料綜合考慮選取：壩體高度40.50 m，壩基截面高程1094.50 m，壩前淤沙高程1108 m，壩體容重24 kN/m3，水容重9.81 kN/m3，泥沙浮容重8.50 kN/m3，泥沙內(nèi)摩擦角14°，混凝土與壩基面抗剪摩擦系數(shù)0.50，抗剪斷摩擦系數(shù)0.70，抗剪斷凝聚力0.50 MPa，壩基滲透壓力強度系數(shù)0.30，壩基排水失效滲透壓力強度系數(shù)0.75，壩基防滲帷幕位置0+003.50 m處。

表1　沿墊層混凝土與基巖接觸面抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果表

依據(jù)規(guī)范規(guī)定，按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′，基本組合時應(yīng)≥3.00，特殊組合①時應(yīng)≥2.50，組合②時應(yīng)≥2.30；按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K，基本組合時應(yīng)≥1.05，特殊組合時應(yīng)≥1.00。由以上結(jié)論可知，除排水失效情況下的抗剪安全系數(shù)小于規(guī)范要求，其余工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

為使排水失效情況下壩體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，經(jīng)計算，水位為1133.00 m時，K=10.02×10-1，K′=3.94，滿足要求。因此水庫正常運行庫水位超過1133.00 m時，需對壩基排水系統(tǒng)進行檢查，對滲流量進行觀察記錄，做好安全監(jiān)測確保大壩安全運行。

3.2壩基深層抗滑穩(wěn)定計算及工程措施

3.2.1壩基深層抗滑穩(wěn)定計算

據(jù)鉆孔資料揭露，壩基在建基面以下高程1093.13～1056.11 m，分布有8層泥巖軟弱結(jié)構(gòu)面，厚0.06～1.67 m。對壩基穩(wěn)定性有一定的影響,壩體可能沿基巖軟弱夾層滑動，因此有必要進行深層抗滑穩(wěn)定驗算。

根據(jù)規(guī)范，壩基深層抗滑穩(wěn)定計算采用等安全系數(shù)法，按抗剪斷強度公式計算，采用《理正巖土重力壩設(shè)計軟件5.5》計算。

抗剪斷強度計算公式：

式中，取α=2°，β=45°+φ/2-α=51.40°（φ為巖石內(nèi)摩擦角取φ=16.7°）；f1=0.25，f2=0.80；（AB面不考慮泥化，取泥夾巖屑中f最小值0.25）C1=20kPa，C=700 kPa（AB面不考慮泥化，取泥夾巖屑中c＇最小值0.02MPa）；令抗力Q為水平方向，即取φ＝0°。

計算結(jié)果如表2。

表2　壩基深層抗滑穩(wěn)定計算成果表

由以上結(jié)論可知，壩體沿壩基深層軟弱面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K′在高程1084.64 m處滿足規(guī)范要求。故需采取加固措施對1084.64 m高程以上軟弱面進行處理。

3.2.2工程措施

根據(jù)本工程地質(zhì)剖面圖及計算結(jié)果，對大壩橫向樁號0+060～0+105處設(shè)置C20F50W2混凝土抗滑齒槽，切斷不穩(wěn)定軟弱夾層，并回填混凝土處理，齒槽深8.50 m，底寬5.00 m，上游側(cè)開挖邊坡1:0.30，下游側(cè)開挖邊坡1：0.20。

綜上所述，壩體深層抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4　結(jié)語

壩基巖體不同地層內(nèi)有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，需根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料進行逐層試算，確定控制滑裂面進行抗滑穩(wěn)定計算，采用雙滑動面進行抗滑穩(wěn)定分析。在壩體建基面上設(shè)置齒槽，將齒槽的底部高程開挖至控制滑動面以下的完整基巖中，切斷軟弱結(jié)構(gòu)面，是一種有效且經(jīng)濟的工程措施。但壩體設(shè)計斷面是由特殊荷載控制的，為保證安全運行，需經(jīng)常檢查排水孔不被堵塞及排水設(shè)備、帷幕灌漿功能正常，另外在壩基范圍采取固結(jié)灌漿、打錨筋等工程措施以進一步增加壩體抗滑的安全儲備，并做好安全監(jiān)測。

（責(zé)任編輯：左英勇）

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：TV642. 2

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8853（2016）03-0103-02