某棄渣壩除險加固前后穩(wěn)定性分析

謝 忱

(山東省膠東調水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

1 工程概況

某水庫是秦嶺北麓渭河一級支流石頭河上一座以灌溉、發(fā)電、城市供水、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的大2型水利樞紐工程，該水庫除擔負下游灌區(qū)2.47萬hm2的農田灌溉任務之外，還擔負著向城市供水的任務，今后將會進一步擔負向周邊多座城市供水的任務，是重要的供水水源地。黑溝河位于水庫下游左岸，屬其一級支流，自西向東于水庫下游大壩背水坡坡腳處流入石頭河。棄渣壩是水庫大壩施工期間，將大量廢棄土石料堆積于黑溝溝口，未經任何碾壓，最大壩高47m，總堆積方量約120萬m3，庫容約93萬m3。棄渣壩在堆積前，沿溝底砌筑了一座漿砌石排水涵洞，但在1981年8月的洪水沖刷下發(fā)生部分坍塌，只能排出很小的流量，喪失排洪功能，此外，水庫水位增高時，在棄渣壩下游壩坡下部有多處滲水，沿涵洞周圍存在管涌，對棄渣壩的穩(wěn)定和安全造成嚴重威脅[1- 3]。為解決上述問題，本工程在黑溝河左岸邊巖體內開挖一座排洪隧洞，并對整修前后壩體滲流和邊坡穩(wěn)定性進行了分析[4- 8]，為工程的整修設計和施工方案優(yōu)化及后期安全運行提供了科學的依據。

2 棄渣壩整修前后穩(wěn)定性分析

2.1 滲流計算

2.1.1 滲透指標選取及荷載組合

滲流斷面選取沿溝底的斷面，該斷面為最大壩高斷面，其滲流狀態(tài)能基本反映棄渣壩的整體滲流狀態(tài)。棄渣壩壩基為基巖，視為不透水層，整修前壩體分為淤泥層和壩體兩個滲透區(qū)，其滲透系數根據地質勘察報告的成果選??；整修后的壩體分為淤泥層、培厚填土和壩體三個滲透區(qū)，培厚填土的指標根據填筑指標選取，其他參數同整修前的參數。整修前后各滲透區(qū)的參數取值見表1。

表1 整修前后各滲透區(qū)的參數取值

本次滲流計算采用土石壩二維滲流計算程序，其方法為三角形單元有限元分析方法，采用改進平方根法直接求解線性代數方程組。

計算的荷載組合根據規(guī)范規(guī)定，土壩計算應考慮水庫運行中出現的不利條件，因該棄渣壩平時不蓄水，只在汛期短暫滯洪，所以本次未計算正常蓄水位和1/3壩高水位的荷載，只計算下列兩種水位組合情況:①上游設計滯洪水位742.66m與下游水位714.70m；②上游校核滯洪水位747.57m與下游水位714.70m；因壩體下游溝底高程為714.70m，與某水庫泄洪洞洞頂齊平，且各種工況下下游基本無水，所以計算時下游水位取714.70m。

圖1 整修前后棄渣壩在設計及校核水位下的滲流結果

2.1.2 計算結果及分析

根據上述荷載組合情況分別計算出下游壩坡出逸點高程及滲流量值見表2和圖1。

表2 各荷載組合下滲流計算結果 單位：m

由表2及圖1可以看出：整修前在設計洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點位于坡腳處，高程為715.14m，比下游溝底高程714.70m只高0.44m，說明出逸點高程較低，但其單寬滲流量較大，為477.17m3/(d·m)；整修后在設計洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點也位于坡腳處，高程為714.91m，比整修前的出逸點高程略低0.23m，差別較小，但其單寬滲流量很小，較整修前差別極大，僅為0.56m3/(d·m)；整修前在校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點位于坡腳處，高程為715.59m，比設計洪水位時稍高，總體來說出逸點仍較低，但其單寬滲流量明顯增大，為707.00m3/(d·m)；整修后在校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點仍位于坡腳處，高程為715.20m，比整修前的出逸點高程略低0.39m，差別不大，但其單寬滲流量較整修前降幅極大，僅為0.98m3/(d·m)。由上述結論可以看出，棄渣壩整修后，在防滲方面的效果很顯著。

2.2 壩坡穩(wěn)定計算

2.2.1 壩體材料參數選取及計算工況

壩坡穩(wěn)定計算是在滲流計算的基礎上進行，斷面的選取與滲流計算一致。由于棄渣壩平時不蓄水，滯洪時水位漲落幅度較大且歷時短、變化快，因此為便于計算，仍按照滲流計算時設計洪水位和校核洪水位進行計算，此外還需要分別對上游和下游壩坡的穩(wěn)定進行計算，具體計算工況如下：①壩前水位為設計滯洪水位742.66m，下游水位714.70m，此時的上游壩坡穩(wěn)定情況；②壩前水位為設計滯洪水位742.66m，下游水位714.70m，此時的下游壩坡穩(wěn)定情況；③壩前水位為校核滯洪水位747.57m，下游水位714.70m，此時的上游壩坡穩(wěn)定情況；④壩前水位為校核滯洪水位747.57m，下游水位714.70m，此時的下游壩坡穩(wěn)定情況。

設計滯洪水位下的工況為正常工作條件下的工況，校核滯洪水位下的工況為非常工作條件下的工況。根據相關規(guī)范要求，正常工作條件下的穩(wěn)定安全系數為1.25，非常工作條件下的穩(wěn)定安全系數為1.15。壩體各材料的計算參數是根據地勘報告中的物理力學指標建議值選取的，具體見表3。

表3 壩體各材料的計算參數

表4 各工況下壩坡穩(wěn)定計算結果

2.2.2 計算結果及分析

根據上述工況和壩體各材料計算參數，采用土石壩邊坡穩(wěn)定計算程序中的畢肖普法，確定相應的最小安全系數和相應的滑裂弧位置，計算出各工況下計算斷面上、下游壩坡的最小安全系數見表4和圖2。

由表4及圖2可以看出：整修前在設計洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為70.84m，安全系數為1.42，下游壩坡的滑弧半徑為86.15m，安全系數為1.28；而整修后在設計洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為24.85m，安全系數為1.51，下游壩坡的滑弧半徑為82.15m，安全系數為1.35，與整修前相比，滑弧半徑變短，滑弧深度變淺，上游坡變化更為明顯，滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，安全系數均有所提高。整修前在校核洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為50.00m，安全系數為1.06，不滿足規(guī)范要求，下游壩坡的滑弧半徑為97.83m，安全系數為1.27；而整修后在校核洪水位時，棄渣壩上游壩坡的滑弧半徑為30.05m，安全系數為1.42，下游壩坡的滑弧半徑為80.12m，安全系數為1.29，與整修前相比，滑弧半徑變短，滑弧深度變淺，上游坡變化最為明顯，下游坡變化較小，滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，上游坡安全系數提高了0.36，效果明顯，下游坡略有提高。

3 結論

通過對整修前后壩體滲流和邊坡穩(wěn)定性進行分析，整修前在設計和校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點均位于坡腳處，出逸點高程較低，但單寬滲流量較大；整修后在設計和校核洪水位時棄渣壩下游壩坡出逸點也位于坡腳處，比整修前的出逸點高程略低0.23m，單寬滲流量很小，較整修前降幅極大，整修后分別為0.56m3/(d·m)和0.98m3/(d·m)，可以看出棄渣壩整修后在防滲方面的效果很顯著。整修后在設計洪水位時，上游壩坡的安全系數為1.51，下游壩坡的安全系數為1.35。整修后在校核洪水位時，上游壩坡的安全系數為1.42，下游壩坡的安全系數為1.29。與整修前相比，滑弧半徑變短，滑弧深度變淺，上游坡變化最為明顯，下游坡變化較小，滑弧的圓心坐標在上、下游坡均表現為在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，校核洪水位時上游坡安全系數提高了0.36，效果明顯。

圖2 整修前后棄渣壩在設計及校核水位下的壩坡穩(wěn)定計算結果

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