路俄水庫壩型比選及穩(wěn)定性分析

曹晨曦

（廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 肇慶 526060）

1 引言

大壩建設(shè)是水利樞紐工程的重要建筑物，合理選擇壩型有利于降低工程投資，保證工程的穩(wěn)定性[1]。結(jié)合路俄水庫工程，對(duì)壩體類型選取和穩(wěn)定性分析進(jìn)行初步研究。

路俄水庫工程位于云南綠春縣境內(nèi)，為紅河水系內(nèi)的一座以城鎮(zhèn)、農(nóng)村人畜生活供水和農(nóng)業(yè)灌溉為任務(wù)的中型水利工程。水庫最大壩高89.6 m，總庫容1035.93 萬m3，興利庫容859.88 萬m3，死水位1755 m，正常蓄水位1803.60 m，設(shè)計(jì)洪水位1805.26 m，校核洪水位1806.02 m。

2 壩型比選

2.1 壩軸工程地質(zhì)條件

壩軸線河谷呈左緩右陡的不對(duì)稱的“V”型，植被發(fā)育，為狹窄河谷，往上游漸變寬闊。河床標(biāo)高1714.0 m～1730.0 m，谷底寬10 m～21 m，高程1802.0 m 谷寬249.9 m，兩岸地形完整。壩基持力層為強(qiáng)風(fēng)化長石砂巖及含鈣質(zhì)團(tuán)塊粉砂巖互層，巖層陡傾上游，屬軟巖～較軟巖；河床沖洪積層厚1.0 m～8.0 m，左岸覆蓋層厚約1.5 m，右岸覆蓋層厚1.0～2.0。無大的不良地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育4 組陡傾裂隙，無原生軟弱結(jié)構(gòu)面，不利結(jié)構(gòu)面組合發(fā)育少，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，弱風(fēng)化垂直埋深5 m～28 m。水文地質(zhì)條件簡單，地下水水力坡降0.31～0.33。邊坡卸荷帶水平深度4 m～6 m，自然岸坡較穩(wěn)定。

2.2 壩型比選

為了節(jié)約工程投資，保證工程建設(shè)進(jìn)度，選取目前較為常用的3 種壩型進(jìn)行比選[2]，分別為：礫石土心墻風(fēng)化料壩、礫石土心墻堆石壩、瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩。各壩型初步方案設(shè)計(jì)及比選如下：

2.2.1 礫石土心墻風(fēng)化料壩

礫石土粘土心墻風(fēng)化料壩壩頂高程1806.50 m，心墻建基面最低高程1716.90 m，最大壩高89.6 m（從心墻底部到壩頂路面的高度），壩頂軸線長度284.5 m，壩頂寬度10.00 m，壩頂上游側(cè)設(shè)高出壩頂1.2 m 鋼筋混凝土防浪墻。上游壩坡分三級(jí)，高程1781.30 m 處設(shè)3 m 寬的馬道，上游壩坡均為1∶2.5，下游壩坡三級(jí)，高程1781.30 m 及1756.30 m 處分別設(shè)3 m、3 m寬的馬道，高程1806.50 m（壩頂）至1756.30 m 坡比均為1∶2.5，高程1756.30 m～1726.30 m 坡比為1∶2.75，高程1726.30 m以下為內(nèi)坡1∶1.25，外坡1∶1.8 的排水棱體。

2.2.2 礫石土心墻堆石壩

礫石土心墻堆石壩最大壩高91.9 m，壩頂寬度10.00 m。防浪頂高程為1807.70 m，壩頂高程1806.50 m，壩頂軸線長度283.5 m，上游壩坡分兩級(jí)，高程1777.10 m 處設(shè)3 m 寬的馬道，上游壩坡坡比均為1∶1.8，下游壩坡設(shè)有二臺(tái)馬道，在1777.10 m、1747.10 m 高程設(shè)置3 m 寬的馬道。防滲心墻軸線在壩軸線上。防滲心墻頂高程1805.80 m，底高程1714.60 m，頂寬3 m，上下游坡比為1∶0.25，最大底寬48.3 m。心墻尺寸滿足滲流穩(wěn)定要求。心墻上下游面分別設(shè)置2 層反濾過渡料，水平寬度均為3.0 m。大壩上下游均采用干砌石護(hù)坡，干砌石護(hù)坡厚50 cm。

2.2.3 瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩

瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩壩頂高程1806.50 m，壩頂寬度10.00 m，瀝青心墻河床清基高程1706.90 m，最大壩高99.6 m（從鋼筋砼蓋板底部到壩頂路面的高度），壩頂長度284.5 m。防浪頂高程為1807.70 m。上游壩坡分三級(jí)，高程1781.30 m 處設(shè)3 m 寬的馬道，上游壩坡均為1∶2.5，下游壩坡三級(jí)，高程1781.30 m 及1756.30 m 處分別設(shè)3 m、3 m 寬的馬道，高程1806.50 m（壩頂）至1756.30 m坡比均為1∶2.5，高程1756.30 m～1726.30 m 坡比為1∶2.75，高程1726.30 m 以下為內(nèi)坡1∶1.25，外坡1∶1.8 的排水棱體。

2.2.4 壩型比選

三種壩型的水庫特征水位及控制參數(shù)相同，地形地質(zhì)條件相同。礫石土心墻風(fēng)化料壩、礫石土心墻堆石壩及瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩投資分別為：16036.59 萬元、16357.11 萬元、17004.17 萬元。

礫石土心墻堆石壩投資比礫石土心墻風(fēng)化料壩大320.52 萬元，瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩投資比礫石土心墻堆石壩大647.06 萬元，瀝青混凝土心墻風(fēng)化料壩投資比礫石土心墻風(fēng)化料壩大967.58 元，礫石土心墻風(fēng)化料壩經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)，推薦礫石土心墻風(fēng)化料壩。

3 壩體穩(wěn)定性分析

3.1 滲流穩(wěn)定性分析

心墻與壩殼料之間的滲透坡降允許值為[1.8]，壩基滲透比降允許值為[0.35]，壩坡出逸段滲透比降允許值為[0.25]，壩基表面出逸段滲透比降允許值為[0.2]。滲流計(jì)算成果見表2，從表中可知，計(jì)算的滲透比降和出逸比降均小于允許值，故壩體和壩基不會(huì)發(fā)生滲漏變形破壞，且出逸段滲透穩(wěn)定滿足要求。滲流計(jì)算結(jié)果表明，在各種計(jì)算工況下，最大坡降均小于允許滲透坡降，滿足滲透穩(wěn)定要求；計(jì)算成果可知，本工程采用的礫石土防滲墻能夠起到很好的防滲效果，每天的單寬滲流量控制在8.0 m3/（d·m）以內(nèi)。

表1 滲流計(jì)算參數(shù)

表2 滲流計(jì)算成果

圖1 滲流計(jì)算成果

3.2 壩坡穩(wěn)定性分析

采用土體材料常用的鄧肯張本構(gòu)模型，對(duì)路俄水庫礫石土心墻土石壩進(jìn)行靜力工況（自重+各特征水位）、靜動(dòng)力組合工況（自重+設(shè)計(jì)水位/死水位+Ⅶ度地震）工況下的非線性有限元塑性損傷穩(wěn)定性能分析，確定該土石壩上、下游壩坡出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)。

由于在進(jìn)行土石壩穩(wěn)定性損傷分析時(shí)，只要上游或下游壩坡其中一側(cè)出現(xiàn)失穩(wěn)劃弧時(shí)，有限元模型計(jì)算程序即終止，因此本計(jì)算只能計(jì)算得出該土石壩壩體上游或下游一側(cè)壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。當(dāng)計(jì)算出一側(cè)壩坡的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)時(shí)，另一側(cè)壩坡在該安全系數(shù)下仍保持穩(wěn)定，這表明另一側(cè)壩坡安全系數(shù)將大于該計(jì)算結(jié)果[3-4]。

典型損傷圖和壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見圖2 和表3。由表可以看出，路俄水庫礫石土心墻土石壩靜力工況（自重+各特征水位）、靜動(dòng)力組合工況（自重+設(shè)計(jì)水位/死水位+Ⅶ度地震）下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均在1.40～1.60 之間，均滿足規(guī)范要求。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖2 損傷圖

3.3 大壩沉降分析

土石壩的興建及運(yùn)行過程中不僅僅壩體自身存在沉降，由于在自由山谷地表面上建設(shè)大體積高壩也會(huì)對(duì)壩基產(chǎn)生向下沉降位移。因此，在興建土石壩時(shí)應(yīng)綜合考慮壩體自身沉降和壩基沉降。根據(jù)路俄水庫礫石土心墻土石壩數(shù)值仿真研究，二維非線性有限元分析得出，當(dāng)計(jì)算模型的邊界取一倍壩高的地基范圍時(shí)，大壩在動(dòng)力組合工況（自重+設(shè)計(jì)水位+Ⅶ度地震）下的豎直向沉降位移均是由壩體心墻中心位置向四周逐漸減小，沉降量最大的部位大體上位于心墻中心部位偏下10 m 左右。壩體及壩基總體沉降量成果見表4。從計(jì)算成果可知，礫石土心墻堆石壩壩體和壩基的總沉降量不到壩體高度的1%，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

表4 沉降計(jì)算成果

4 結(jié)論

為了保證路俄水庫工程建設(shè)的合理性，降低工程投資，初步選定了3 種方案，并對(duì)各個(gè)方案的壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，通過比選，采用礫石土心墻風(fēng)化料壩可節(jié)約工程投資且水庫建成后經(jīng)濟(jì)效益與其他壩型一致。通過計(jì)算和數(shù)值模擬分析，采用礫石土心墻風(fēng)化料壩可滿足滲流、穩(wěn)定、沉降變形要求，壩體在使用過程中不會(huì)出現(xiàn)滲漏量過大、壩坡穩(wěn)定性不足、壩體沉降量過大等問題，使用礫石土心墻風(fēng)化料壩在技術(shù)上較為可行。