丁莊水庫滲流及抗滑穩(wěn)定安全分析研究

盧 華， 馬 飛，張坤強(qiáng)

(1.煙臺(tái)高新區(qū)社會(huì)事業(yè)服務(wù)中心，山東 煙臺(tái) 264000； 2.德州市水利局，山東 德州 253000； 3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

我國水庫大多建造自20世紀(jì)50年代，隨著水庫運(yùn)行年限的不斷增加，水庫的病險(xiǎn)危害日益嚴(yán)重。若不及時(shí)對(duì)其采取適當(dāng)?shù)臋z修加固措施，不僅會(huì)進(jìn)一步降低其經(jīng)濟(jì)效益，甚至?xí)苯油{到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。在土石壩的安全鑒定工作及建設(shè)與運(yùn)行管理評(píng)價(jià)工作中，最主要的分析內(nèi)容是土石壩的滲流分析與抗滑穩(wěn)定分析[3-5]。本工程通過對(duì)正常蓄水位、1/3水位及驟降水位3種工況下大壩進(jìn)行滲流分析、抗滑穩(wěn)定分析、抗震計(jì)算等方面的計(jì)算研究，分析其對(duì)大壩自身安全穩(wěn)定的影響，對(duì)類似工程具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程概況

丁莊水庫是山東省興建的一座圍壩型平原水庫，位于德州地區(qū)陵縣馬頰河南岸的天然洼地處。引水水源為黃河水，利用潘莊干渠，將黃河水送入馬頰河，經(jīng)泵站提水入庫。

該水庫樞紐工程由圍壩、隔壩、入庫泵站、出庫泵站以及泄水洞等組成。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物(大壩、引水泵站)為3級(jí)，其它建筑物為5級(jí)，庫區(qū)面積4. 77 km2，圍壩軸線長(zhǎng)度8.93 km，總庫容3 120×104m3。大壩以碾壓式均質(zhì)壩型為主，圍壩最大壩高9.0 m。壩頂高程25.0 m，防浪墻高1.20 m，壩頂寬度7.0 m。隔壩位于入庫泵站和出庫泵站之間，壩頂高程26.0 m，壩頂寬度10 m，壩長(zhǎng)978 m。圍壩沿庫內(nèi)壩腳設(shè)黏土鋪蓋寬50 m。

2 壩體滲流計(jì)算

2.1 計(jì)算斷面與材料參數(shù)

選取最大壩高斷面，壩高9 m，斷面尺寸為：上游計(jì)算長(zhǎng)度選取5倍壩高，長(zhǎng)50 m；下游計(jì)算長(zhǎng)度約2倍壩高，長(zhǎng)度20 m；計(jì)算深度根據(jù)地質(zhì)勘探深度至不透水層，約3倍壩高，深28 m。壩體斷面自上而下由壩體到壩基共分為10層，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，物理力學(xué)特性及滲透系數(shù)，斷面材料共有10種，壩體上游底部為黏土鋪蓋，為第11種材料。材料參數(shù)選用地勘資料確定，見表1。

表1 丁莊水庫壩體及壩基土滲透系數(shù)及物理力學(xué)性能

2.2 浸潤(rùn)線及流網(wǎng)計(jì)算

計(jì)算工況包括3種：正常蓄水位23 m、1/3蓄水位19.67 m、水位從23 m驟降至17.8 m。根據(jù)大壩設(shè)計(jì)資料，以正常蓄水位工況為例闡述計(jì)算方案，壩體正常蓄水位為23.0 m，壩前水深為6.2 m，壩后坡無水，滲流量計(jì)算斷面為下游坡壩肩位置，計(jì)算單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度1.0 m，收斂判斷誤差(兩次計(jì)算的相對(duì)變化)取0.100%。經(jīng)過30次迭代計(jì)算，正常蓄水位工況下最大滲流量為0.281 m3/d·m，最大滲透坡降0.18，浸潤(rùn)線及流網(wǎng)分布圖見圖1，3種工況下壩體滲流量計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1 正常蓄水位浸潤(rùn)線位置及流網(wǎng)圖

表2 大壩滲透流量計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算年最大滲流總量W為：

W=365×8 923×0.281=91.52×104m3/年，占水庫總庫容的2.94%，可見大壩滲漏量很小；壩基最大滲透坡降=0.18<0.2，壩基滿足滲透穩(wěn)定要求。

3 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

采用滲流計(jì)算結(jié)果，根據(jù)浸潤(rùn)線位置，壩體孔隙水壓力場(chǎng)作為計(jì)算初始狀態(tài)。

3.1 不考慮地震作用壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

采用正常蓄水位滲流計(jì)算結(jié)果，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)，不考慮地震作用，采用有效應(yīng)力法，孔隙水壓力采用滲流方法計(jì)算，考慮邊坡外側(cè)靜水壓力，利用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算穩(wěn)定滲流期壩體上游坡及下游坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 經(jīng)過迭代計(jì)算，正常蓄水位穩(wěn)定滲流期上游滑動(dòng)圓心 (12.027，15.400 m)，滑動(dòng)半徑19.550 m，滑動(dòng)安全系數(shù)2.242。壩坡圓弧滑動(dòng)面見圖2。

多種工況時(shí)的上下游壩坡穩(wěn)定用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，各工況下最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

圖2 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期上游壩坡圓弧滑動(dòng)面圖

表3 不考慮地震作用條件下壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由規(guī)范可知，Ⅲ級(jí)建筑物正常運(yùn)用條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.20；非常運(yùn)行條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.10。由表3可知，計(jì)算出的壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范值，說明壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 地震作用下壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(1∶400萬)》(GB 18306-2015)，丁莊水庫樞紐工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35047-2015)，地震峰值加速度取0.10 g，水平地震系數(shù)0.100，地震作用綜合系數(shù)0.250。采用正常蓄水位、1/3蓄水位及驟降水位3種工況滲流計(jì)算的浸潤(rùn)線來確定壩體材料的容重進(jìn)行計(jì)算。考慮地震作用下的各工況壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。由表4可知，計(jì)算出的壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范值，說明壩坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 地震作用下壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

4 結(jié) 論

1) 3種不同工況下，最大滲流量為91.52×104m3/年，占水庫總庫容的2.94%。

2) 不考慮地震作用正常運(yùn)用狀況下，壩體最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.324；考慮地震作用下，壩體最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.208，大壩滿足滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定要求。

3) 通過壩體的滲流和穩(wěn)定有限元分析，可對(duì)壩體的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。