江西九江馬頭水庫(kù)大壩壩坡穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計(jì)

賴先華

(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000)

0 前言

馬頭水庫(kù)位于柴桑區(qū)馬回嶺鎮(zhèn)馬頭村，距離柴桑區(qū)城區(qū)27 km，緊靠昌九高速、南潯鐵路，座落于鄱陽(yáng)湖水系博陽(yáng)河支流廬山河，是一座以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖的重點(diǎn)中型水利樞紐工程，主要建筑物有主壩、1#隧洞、2#隧洞、壩下涵管及1#隧洞出口引水電站(機(jī)組已拆除)等。

2010年4月8日，在例行的大壩巡查中，在主壩L型排水棱體上樁號(hào)0+600邊緣發(fā)現(xiàn)一個(gè)2.0×2.0 m2、深約1.2 m的塌坑，后經(jīng)觀察及回填處理，塌坑未發(fā)現(xiàn)異常；2011年5月7日，在連續(xù)的降雨過(guò)程中，水庫(kù)管理處辦公樓后方山體發(fā)現(xiàn)一處小范圍的滑坡。后經(jīng)在山體設(shè)置擋墻，險(xiǎn)情未進(jìn)一步擴(kuò)大。為確保大壩后期的運(yùn)行安全，本文針對(duì)馬頭水庫(kù)大壩壩坡展開(kāi)穩(wěn)定性分析。

1 工程現(xiàn)狀

馬頭水庫(kù)位于柴桑區(qū)馬回嶺鎮(zhèn)，距縣城27 km，座落于鄱陽(yáng)湖水系博陽(yáng)河支流廬山河。主壩兩岸為丘陵地形。主壩左岸為牛頭山，山頂高程164.00 m，山勢(shì)險(xiǎn)峻，山坡穩(wěn)定性差，常見(jiàn)滑坡、崩塌，懸崖地貌，造成主壩與山坡接觸條件差，對(duì)泄洪隧洞穩(wěn)固性有很大影響。主壩右岸是馬頭山，山頂高程130.50 m，為寬約100 m的短條形山，現(xiàn)被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民開(kāi)辟為采石場(chǎng)，影響庫(kù)岸穩(wěn)固。根據(jù)大壩地質(zhì)勘查、安全鑒定，馬頭水庫(kù)大壩存在以下問(wèn)題：①上游坡面混凝土預(yù)制塊護(hù)坡較平整、干砌石護(hù)坡局部風(fēng)化缺失；下游干砌石護(hù)坡局部架空不完整等問(wèn)題；②混凝土預(yù)制塊護(hù)坡較平整，無(wú)明顯破損、裂縫等現(xiàn)象，局部勾縫處長(zhǎng)有雜草；干砌石護(hù)坡外觀平整，未見(jiàn)明顯塌陷，局部風(fēng)化缺失，塊石縫間雜草較多；③下游壩坡高程89.40 m處設(shè)一級(jí)馬道，寬3.0 m，下游坡比自上而下分別為1∶2.5、1∶2.75，均為干砌石護(hù)坡；干砌石護(hù)坡局部架空不完整；上壩臺(tái)階混凝土破損、裂縫眾多；壩腳壓浸平臺(tái)出現(xiàn)1處約4 m2的塌坑。

2 大壩壩坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

2.1 相關(guān)參數(shù)及計(jì)算方法

(1)穩(wěn)定安全系數(shù)確定

馬頭水庫(kù)樞紐工程等級(jí)為Ⅲ等，永久性主要建筑物為3級(jí)，當(dāng)主壩處于正常運(yùn)行條件時(shí)，采用簡(jiǎn)化畢肖普法所要求壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30，當(dāng)主壩處于非常運(yùn)用條件時(shí)，簡(jiǎn)化畢肖普法所要求的壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20。

(2)計(jì)算斷面和計(jì)算參數(shù)確定

1)計(jì)算斷面

根據(jù)主壩的現(xiàn)場(chǎng)安全檢查結(jié)果，結(jié)合壩體和壩基的地質(zhì)情況及地質(zhì)勘察成果，并考慮偏安全的因素，滲流計(jì)算選取的計(jì)算斷面為0+100斷面、0+300斷面。

2)計(jì)算參數(shù)確定

本次主壩穩(wěn)定復(fù)核中主壩壩體填土的物理力學(xué)指標(biāo)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定以初設(shè)階段地勘報(bào)告為依據(jù)，具體見(jiàn)表1。

表1 主壩填筑土料力學(xué)指標(biāo)表

3)壩坡抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)工程的實(shí)際情況，壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算考慮設(shè)計(jì)工況為：①庫(kù)水位為正常蓄水位94.40 m時(shí)形成穩(wěn)定滲流期的下游坡；②庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位98.18 m時(shí)形成穩(wěn)定滲流期的下游坡；③正常蓄水位94.40 m驟降至死水位水位74.0 m時(shí)形成非穩(wěn)定滲流期的上游坡。

4)計(jì)算方法

按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)，對(duì)3級(jí)建筑物，采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在計(jì)算下游坡的抗滑穩(wěn)定時(shí)采用有效應(yīng)力參數(shù)；在計(jì)算上游坡的抗滑穩(wěn)定時(shí)分別采用有效應(yīng)力和總應(yīng)力參數(shù)[1]。

計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)的“邊坡穩(wěn)定分析軟件5.11版”。

水位降落期總應(yīng)力法計(jì)算公式：

穩(wěn)定滲流期和水位降落期有效應(yīng)力法計(jì)算公式：

式中：b為條塊寬度；W為條塊實(shí)重，W=W1+W2+γwZb；W1為在壩坡外水位以上的條塊實(shí)重；W2為在壩坡外水位以下的條塊浮重；Z為壩坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離；u為穩(wěn)定滲流期或水庫(kù)水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力；ui為水庫(kù)水位降落前壩體中的孔隙壓力，按滲透系數(shù)小值平均值計(jì)算；β為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角。C′為土體的有效凝聚力；Φ′為土體的有效內(nèi)摩擦角。

式中：ai為土條滑動(dòng)面與水平方向的夾角。

2.2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

現(xiàn)狀大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表2。

由表2可知，主壩樁號(hào)0+100斷面在設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期的下游坡(K=1.295)、正常蓄水位降至的死水位的大壩上游坡(K=1.181、K=1.068)，主壩樁號(hào)0+300斷面在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期坡的下游坡(K=1.232)、正常蓄水位降至的死水位的上游坡(K=1.172)等工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值(K=1.30)，即穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；其它工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表2 現(xiàn)狀壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

3 壩坡加固設(shè)計(jì)

為防止主壩加高培厚段壩身受風(fēng)浪淘刷及雨水沖刷，上游坡采用干砌塊石護(hù)坡與砼預(yù)制塊護(hù)坡進(jìn)行擇優(yōu)選用，下游坡采用草皮護(hù)坡。

3.1 護(hù)坡厚度計(jì)算

干砌石護(hù)坡厚度按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)中A.2.1公式計(jì)算：

Q=0.85Q50=0.525PKD3

式中：D為石塊的換算球形直徑，m；Kt為隨坡比變化的系數(shù)，查表取值主壩1.4；ρk為塊石密度，t/m3；ρw為水的密度，t/m3；m為坡度，m=2.5；hp為累積頻率為5%的設(shè)計(jì)波浪高度，m；t為護(hù)坡厚度，m。

砼預(yù)制塊護(hù)坡厚度，按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)中A.2.3式計(jì)算：

式中：η為系數(shù)，對(duì)整體式大塊護(hù)面板取1.0，對(duì)裝配式護(hù)面板取1.1；hp為累積頻率為1%波高；b為沿壩坡向板長(zhǎng)，m；ρc為板的密度，取2.4 t/m3；m為坡度，m=2.5；t為砼護(hù)坡厚度，m。

二種護(hù)坡型式厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 主壩護(hù)坡厚度計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參照其它工程經(jīng)驗(yàn)及滿足施工要求，干砌塊石護(hù)坡厚度取30 cm，砼預(yù)制塊護(hù)坡主壩取15 cm。

3.2 護(hù)坡型式比選

通過(guò)護(hù)坡厚度計(jì)算，主壩上游護(hù)坡采用厚15 cm，邊長(zhǎng)30 cm正六邊形預(yù)制塊護(hù)坡和厚度30 cm干砌塊石進(jìn)行比較，護(hù)坡下均設(shè)置10 cm厚砂卵石混合料墊層，其工程量投資比較見(jiàn)表4。

表4 主壩護(hù)坡型式單位面積投資比較表

由表4可知，砼預(yù)制塊護(hù)坡方案投資較干砌石護(hù)坡稍小，且砼預(yù)制塊護(hù)坡上具有施工速度快、美觀、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，適用于施工周期短的除險(xiǎn)加固工程，故選用砼預(yù)制塊護(hù)坡。

4 結(jié)語(yǔ)

土石壩是我國(guó)水利工程的重要的堤壩形式，保證堤壩的穩(wěn)定性對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要的意義。根據(jù)上述分析，大壩主壩上、下游坡抗滑穩(wěn)定均不滿足要求；主壩上游干砌石護(hù)坡局部風(fēng)化缺失，下游干砌石護(hù)坡局部架空不完整，壩腳壓浸平臺(tái)出現(xiàn)塌坑。主要原因可能是由于馬頭水庫(kù)大壩清基不徹底，壩體施工填筑質(zhì)量差，壩體中存在高程不一的軟弱夾層等問(wèn)題，導(dǎo)致壩基、壩肩及壩體滲漏較為嚴(yán)重，危及大壩的抗滑穩(wěn)定安全，使得主壩存在諸多安全隱患，須采用相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。