昌圖縣西大橋水庫土質大壩除險加固工程設計探析

劉心峰

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，沈陽 110003)

0 引 言

水庫在長期蓄水、排水使用過程中，壩體穩定性會發生較為明顯的變化，安全系數降低將對庫區范圍內居民生產、生活以及社會穩定造成嚴重的影響[1-2]。為了提高壩體穩定性，針對不同的壩體特點，采用合適的治理方式是十分必要的[3-4]。針對大壩防滲加固效果檢驗的方法，工程中較為常用的是數值模擬、STAB軟件分析[5]。以昌圖縣西大橋水庫為例，對土質水庫大壩除險加固工程設計進行研究。

西大橋水庫位于亮子河支流上，控制流域面積為17.7km2，河長9km，河道比降2.8‰。大壩為均質土壩，長116.0m，頂寬4.0m，最大壩高5.75m。迎、背水面坡比為1∶2.3、1∶2.4。

1 水文地質概況

西大橋水庫附近地形東高西低，屬洪積扇。地層以黏性土、第四系沖洪積物、全風化泥巖，其巖性，從勘探孔揭露的深度范圍內，由上至下分述如下：

1)粉質黏土：黃褐色，呈可塑狀態。上部為薄層碎石路面，該層見于壩身，屬筑壩材料。層厚1.4-6.2m，層底標高95.92-95.97m。

2)粉質黏土：灰色，軟塑狀態。層厚3.9-4.0m，層底標高91.97-92.02m。

3)角礫：級配良好，中密狀態，由中風化石英巖、花崗巖等組成，最大粒徑5-6cm。厚1.0-2.6m，層底標高85.01-85.82m。

4)全風化泥巖：紅色，巖芯呈土狀，用手掰不易碎，鉆孔未穿透此層。

壩址區可見庫區滲漏及大氣降水補給的上層滯水及孔隙承壓水，其初見水位埋深為3.0-7.0m，標高為94.37-95.12m；其穩定水位埋深為0.2-2.7m，標高為97.17-99.42m，水位年變幅隨季節及庫區水位變化。各層力學指標和滲透性指標見表1、表2和表3。

3 大壩防滲加固工程設計

3.1 設計、校核洪水位確定

根據現場實際調查結果，繪制水位和水面面積、水庫庫容關系曲線見圖1。西大橋水庫大壩最大壩高為5.75m，≮15.0m，上下游水頭差為2.85m，≮10.0m，洪水標準按平原、濱海區標準確定。庫正常蓄水位100.0m，相應庫容10.26萬m3；設計洪水位101.17m，相應庫容為20.06萬m3；校核洪水位101.55m，相應庫容為24.26萬m3。

3.2 大壩加固工程設計

3.2.1 高程復核

根據規范SL189-2013、SL274-2001中規定，進行壩頂高程復核。計算結果見表4。

表1 壩身及壩基各土層物理力學性質指標統計表

表2 角礫物理力學性質

表3 各土層滲透系數統計表

圖1 水位與水面面積、庫容關系

表4 壩頂高程復核結果

現狀壩頂高程102.10m，小于本次復核壩頂高程102.25m(設計水位)及102.19m(校核水位)，不滿足規范要求。因此大壩需整加厚形后便可以鋪設砂石路面20cm，同時在壩肩設置花崗巖路緣石。

3.2.2 大壩工程加固結構設計

1)大壩局部整形

對現壩體迎水坡進行培厚整形，死水位以上至壩頂進行干砌石護坡，其結構由外到內為0.30m塊石護坡，下設0.20m碎石墊層，底部鋪0.10m砂墊層。死水位以下拋石。

2)背水面貼坡排水

在背水坡壩腳處設置貼坡排水，貼坡排水控制高程為100.0m，其結構由外向內依次是30cm厚塊石層，20cm厚碎石層及10cm厚砂墊層。

3)壩壩頂設計

大壩壩頂鋪設20cm厚砂石路面，并在兩壩肩設置花崗巖路緣石。花崗巖規格為40cm×15cm×99cm。

3.3 大壩加固效果分析

3.2.1 壩體穩定性分析

采用水利部推廣應用土石壩邊坡穩定分析(STAB)壩體邊坡穩定性。計算方法采用瑞典圓弧法。計算原理如下：

式中：W為土條重量；μ為孔隙壓力；α為條塊重力線與通過中點的半徑的夾角；b為土條寬度；c′、φ′為有效抗剪強度指標。

邊坡穩定計算典型斷面取最大壩高處。

圖2 大壩穩定計算簡圖

壩體邊坡穩定計算成果見表5。

表5 大壩壩體邊坡穩定計算成果表

從表5可以看出，大壩在實際抵御洪水標準下各工況均滿足大壩最小抗滑穩定安全系數要求。

3.2.2 大壩滲流分析

1)滲流穩定分析計算

壩體滲流分析使用北京理正軟件提供的滲流分析計算功能進行計算，計算結果見表6。

2)后貼坡排水控制高程與結構分析確定

在背水坡滲水段貼坡排水頂高程，應由壩體浸潤線溢最大出點高程加1.50m防護安全超高確定：

按壩后浸潤線最高溢出點高程(校核洪水情況)計算

H貼坡頂=H浸潤線+h超高=98.31+1.50=99.81(m)

考慮上面計算結果，結合工程實際，西大橋水庫壩后貼坡排水控制頂高程設計選為100.0m。

4 結 論

土壩造價低、施工簡便，在水利工程中較為常見，但土壩使用耐久性也較低，通過現場調查獲取西大橋水庫水位和庫容、水面面積的關系為設計水位提供參數。通過室內試驗獲取巖土體強度、滲流參數。通過高程復核，現狀壩體難以滿足防洪要求，進行加高處理，通過穩定性分析，壩坡滿足安全需求；經過滲流分析確定壩后控制水位為100.0m。