東臺子水庫壩體穩(wěn)定分析

王阿敏，賈慶穩(wěn)

（1.遼寧省水資源管理集團有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003；2.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

東臺子水庫樞紐工程位于內(nèi)蒙古赤峰市林西縣新城子鎮(zhèn)下場鄉(xiāng)，西拉木倫河與一級支流葦塘河匯合口下游，控制流域面積10764.4 km2，總庫容3.21×108m3。西拉木倫河流域?qū)儆诖笈d安嶺南段山地與燕山山脈交匯處，境內(nèi)以山地、丘陵為主，地勢呈西北高、東南低，最高點海拔高度為1880 m，最低點西拉木倫河河谷，海拔高度為645 m。

東臺子水庫所在的工程區(qū)位于華北地臺與興蒙古生代地槽褶皺系分界的北側(cè)，屬于內(nèi)蒙古中部地槽褶皺系、蘇尼特右旗晚華力西褶皺帶、哲斯—林西復(fù)向斜。西拉木倫河斷裂位于華北地臺與興蒙古地臺分界處，該斷裂規(guī)模較大。工程區(qū)位于西拉木倫河斷裂帶及影響范圍內(nèi)，經(jīng)研究分析該斷裂為古老非活動性斷裂。依據(jù)壩址區(qū)地層結(jié)構(gòu)特征及清基厚度，將工程區(qū)分為山前堆積段、階地段、低漫灘及河床段、右岸高漫灘段。由于壩體長，地形變化大，覆蓋層厚度不一，壩基地層巖性有差異，壩高及壩體荷載差異均較大，沿壩軸線方向存在不均勻沉降問題，

本文利用里正巖土計算及Midas GTS NX 巖土通用有限元分析軟件對大壩壩體進行穩(wěn)定分析，進行滲流及滲透穩(wěn)定計算、壩體穩(wěn)定計算、壩體、壩基應(yīng)力及變形計算[1]。

2 壩體基本模型

東臺子水庫是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉和發(fā)電為建設(shè)任務(wù)的綜合利用大（二）型Ⅱ等水利樞紐工程。主要建筑物有：瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸泄洪建筑物、引水建筑物、電站和魚道等。

主壩壩型選用瀝青混凝土心墻堆石壩，堆石壩主要坐落在河床及左側(cè)階地段，壩頂高程678.53 m，最大壩高45.8 m。建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計100 a 一遇，校核2000 a 一遇。抗震設(shè)防烈度采用地震基本烈度為Ⅵ度，設(shè)計地震動峰值加速度采用場地50 a 超越概率10%地面水平地震動峰值加速度為0.06g。

圖1 堆石壩典型斷面圖

堆石壩典型斷面見圖1。堆石壩上游坡比1∶1.7，高程668.0 m 以上采用干砌料石護坡，高程668.0m 以下采用1.0 m厚大塊石理砌塊石護坡，上游不設(shè)馬道；下游坡比為1∶1.7，采用框格混凝土碎石護坡，護坡厚度為0.3 m。在大壩下游壩坡高程660 m 處設(shè)置2.0 m 寬馬道。

壩體中部偏上游側(cè)設(shè)置一道瀝青混凝土心墻，心墻頂高程為676.50 m，厚度為0.50 m，心墻上部與鋼筋混凝土防浪墻相接，下部與基礎(chǔ)混凝土防滲墻相連，最大高度為42.60 m。心墻兩側(cè)設(shè)兩層過渡層。第一層過渡層鋪設(shè)水平寬度2.0 m 厚的砂礫石，頂高程與瀝青心墻相同；第二層過渡層為臺階狀，頂高程672.3 m，水平寬度2.0 m，在高程650.0 m 處擴展為4.0 m，在高程642.0 m 處擴展為6.0 m。心墻與基礎(chǔ)混凝土防滲墻連接時，在相接處設(shè)置混凝土基座，基座呈倒“凸”字型，加厚的瀝青混凝土心墻座落于基座上。

碾壓式瀝青混凝土心墻在國內(nèi)應(yīng)用較多，特別是最近幾年現(xiàn)代化的專用攤鋪碾壓設(shè)備應(yīng)用較多，加快了施工速度，提高了施工質(zhì)量，施工工藝先進并且施工質(zhì)量容易保證，選用碾壓式瀝青混凝土心墻作為土石壩的防滲體[2]。

3 堆石壩整體穩(wěn)定

3.1 滲流及滲透穩(wěn)定計算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)采用數(shù)值法進行滲流計算。選擇具有代表性的五個典型斷面1-1（樁號主壩0+209）、2-2（樁號主壩0+397）、3-3（樁號主壩0+787）、4-4（樁號主壩1+080）、5-5（樁號主壩1+208），作為平面穩(wěn)定滲流計算問題進行處理，并利用分段綜合的方法計算主壩滲流量，分別對正常蓄水位和設(shè)計水位下大壩的滲流穩(wěn)定開展計算。兩種計算工況基本指標(biāo)如下：①正常蓄水位：上游水位672.3 m，下游水位635.50 m；②設(shè)計洪水位：上游水位673.75 m，下游水位636.87 m。

近似取滲透系數(shù)水平和垂直方向相等。心墻料、壩殼料滲透系數(shù)選擇見表1。

表1 滲透系數(shù)取值表

滲漏量計算選取正常蓄水位時計算工況；滲透穩(wěn)定計算選取設(shè)計洪水位時計算工況。

土石壩正常蓄水位時滲漏量為：Q=61.2 萬m3/a。主壩浸潤線及主壩最小k 值滑弧位置見圖2。

圖2 正常水位浸潤線及穩(wěn)定滑弧圖

堆石壩下游壩坡不會出現(xiàn)滲透破壞的問題，故只計算壩基處的滲透坡降。依據(jù)經(jīng)過滲流計算成果繪制成流網(wǎng)圖，分析后計算得出壩基處的滲透坡降。得出壩基表面的最大出逸比降為J=0.06<[J]=0.27，是滿足要求的[3]。

3.2 穩(wěn)定計算

土石壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)成果見表2。

計算成果表明：設(shè)計選定的壩坡，其抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.3 壩體、壩基應(yīng)力及變形計算

采用《巖土通用有限元分析軟件Midas GTS NX》計算，該程序由北京邁達斯技術(shù)有限公司編制。

本次采用了鄧肯E-B 模型進行心墻壩二維有限元計算。壩殼料、砂礫石過渡料、基礎(chǔ)墊層料和瀝青混凝土心墻料等，也同樣采用鄧肯E-B 模型本構(gòu)模型。防滲墻及基座選用線彈性材料，混凝土標(biāo)號為C25[4]。靜力計算參數(shù)見表3～表6。防滲墻厚度為1.0 m。防滲墻、心墻、基座全部選取四邊形單元，壩體選取四邊形、少量退化的三角形單元。心墻、基座、過渡料、防滲墻與覆蓋層地基土交界面等位置選用4 節(jié)點Goodman 單元。本構(gòu)關(guān)系（接觸面）選用鄧肯和克拉夫提出的雙曲線模型，典型斷面有限元網(wǎng)格見圖3。

表2 土石壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3 典型斷面的整體有限元模型

表3 筑壩材料靜力計算參數(shù)

表4 覆蓋層地基土靜力計算參數(shù)

表5 泥皮靜力計算參數(shù)

表6 混凝土材料靜力計算參數(shù)

模擬壩體填筑和蓄水有限元荷載步，將其分成19 級，大壩的施工過程進行分層模擬，第十九步為竣工期。將壩體填筑完成，開始穩(wěn)態(tài)滲流分析，得到滲流計算的結(jié)果，進行提取，然后施加在壩體進行下一步的應(yīng)力計算。

壩體及心墻計算結(jié)果見表7。

表7 計算最大值（應(yīng)力以壓為正）

1）壩體位移

竣工期壩體分別向上、下游變形，中心線為心墻和防滲墻，水平向上游位移最大值為0.18 m，水平向下游位移最大值為0.16 m；壩體豎向沉降基本上呈對稱分布，心墻和防滲墻為中心線，最大值豎向沉降值為0.76 m[5]。滿蓄期，壩體向上游變形區(qū)域和數(shù)值減小，最大值為0.09 m；向下游變形區(qū)域和數(shù)值增大，最大值為0.25 m；壩體沉降最大為0.62 m，較竣工期有所降低[6]。

最大沉降發(fā)生在壩殼與覆蓋層交界處，表明地基模量對大壩變形影響較大，可采取一定的工程措施提高壩基密實指標(biāo)，減小壩基的沉降。

2）心墻應(yīng)力

竣工期心墻最大壓應(yīng)力為4.58 MPa，滿蓄期心墻最大壓應(yīng)力為1.81 MPa，最大壓應(yīng)力部位位于心墻底部，心墻未出現(xiàn)拉應(yīng)力，豎向應(yīng)力大于水壓力，不會發(fā)生水力劈裂或拉裂現(xiàn)象[7]。

4 結(jié)語

本文以東臺子瀝青混凝土心墻堆石壩為研究對象，通過不同工況下大壩滲流穩(wěn)定計算分析，得出如下結(jié)論：東臺子水庫覆蓋層最大深度達122 m，水平層次顯著且具有強滲漏帶，選用施工工藝先進并且施工質(zhì)量容易保證的碾壓式瀝青混凝土心墻作為土石壩的防滲體，保證了壩體滲漏及滲流安全[8]。為保證壩體整體變形協(xié)調(diào)，在瀝青混凝土心墻上下游側(cè)與壩殼堆石料之間設(shè)置兩層砂礫石過渡料，并將第二層過渡料階梯型布置，充分發(fā)揮其變形過渡作用，可為同類工程的設(shè)計提供參考和方案借鑒。

因現(xiàn)場取樣和試驗誤差等多種原因，有限元計算參數(shù)無法完全擬合實際的物理參數(shù)，在施工及運行過程中，還應(yīng)加強對壩體應(yīng)力和變形的監(jiān)測，為工程的安全復(fù)核和現(xiàn)場管理提供依據(jù)。