鐵斯巴汗水庫滲流及大壩穩(wěn)定性研究

馬小甜

(塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院，新疆 塔城 834700)

1 引言

水庫大壩在使用過程中其安全性會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化，及時(shí)對(duì)大壩進(jìn)行安全復(fù)核是十分重要的[1-2]。影響大壩安全的主要因素包括：滲流安全和結(jié)構(gòu)安全[3-6]。科學(xué)、合理分析壩體穩(wěn)定性可為大壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)提供參考。

鐵斯巴汗水庫樞紐布置水庫樞紐主要包括大壩、溢洪道、放水涵洞三部分。大壩壩型為土工膜斜墻堆石壩，最大壩高13.62 m。大壩全長277.5 m，大壩軸線大致呈東西方向，壩頂寬6.0 m，壩頂高程為1246.32 m。壩頂上游側(cè)設(shè)鋼筋砼防浪墻，防浪墻高出壩頂1.2 m，防浪墻頂高程為1247.52 m。壩頂采用20 cm厚砂礫石路面，上游壩坡為1∶1.5，采用0.2 cm(厚)×3(長) cm×3(寬)m的C20F200砼塊護(hù)坡。下游壩坡為1∶1.4，采用8(厚) cm×40(長) cm×40(寬) cm的C15F200砼預(yù)制塊護(hù)坡)。

2 大壩滲流安全分析

2.1 大壩滲流安全評(píng)價(jià)

由于鐵斯巴汗水庫沒有安全監(jiān)測設(shè)施，大壩滲流安全評(píng)價(jià)主要采用現(xiàn)場檢查法和計(jì)算分析法。

壩體采用土工膜防滲，土工膜的滲透系數(shù)應(yīng)小于10-11cm/s。對(duì)土工膜斜墻堆石壩防滲土料的滲透系數(shù)不大于1.0×10-5cm/s這一要求可以看出，該大壩土體的滲透系數(shù)符合規(guī)范要求。大壩下游未設(shè)排水設(shè)施，致使大壩下游排水不暢，滿庫時(shí)壩后有積水。

(1)壩體、壩基土層參數(shù)的選擇

根據(jù)《托里縣鐵斯巴汗水庫除險(xiǎn)加固工程技施設(shè)計(jì)報(bào)告》提供的參數(shù)，選擇代表性斷面為：0+080斷面、0+200最大橫斷面、0+220壩體沖毀后重填斷面、0+280斷面。

壩體為土工膜斜墻堆石壩，壩體填筑以堆石料為主，壩前為砼面板；壩基為基巖。壩前庫中有部分淤積，樁號(hào)(0+220～0+255)有壩體沖毀重填區(qū)域。

根據(jù)以上資料，計(jì)算斷面可以簡化為6個(gè)區(qū)域：

①土工膜斜墻；②水庫淤積層；③壩體堆石料填筑；④壩基砂礫石；⑤基巖；⑥壩體沖毀砂礫石料填筑；

土層參數(shù)見表1。

表1 鐵斯巴汗水庫壩體、壩基土層參數(shù)

(2)計(jì)算方法

滲流計(jì)算以《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)為依據(jù)，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所的《滲流分析軟件》進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為有限元法。以最不利原則兼顧兩岸壩體滲流情況，選擇代表性斷面為0+080斷面、0+200最大橫斷面、0+220壩體沖毀后重填斷面、0+280斷面，計(jì)算時(shí)均為穩(wěn)定滲流條件，上游水位正常蓄水位為1244.18 m，死水位為1239.13 m。

(3)計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 鐵斯巴汗水庫壩體、壩基滲流量計(jì)算表

由表2可知，穩(wěn)定滲流期(庫水位在1244.18 m時(shí))壩體、壩基總滲漏流量Q=640.76 m3/d。

根據(jù)水庫蓄水運(yùn)行過程，一年大概有2/3的時(shí)間是正常運(yùn)行期，水庫壩體、壩基年滲漏量W年滲=Q×365×2/3。

W年滲=640.76(m3/d)×365×2/3=15.59×104m3

(1)

從計(jì)算的滲漏量看壩址區(qū)年滲漏量為15.59×104m3，鐵斯巴汗水庫現(xiàn)狀總庫容為70×104m3，大壩年滲漏量占水庫總庫容的22.27%。

2.2 大壩滲流穩(wěn)定性分析

壩體的允許滲透坡降參照以下公式確定：

J破壞=(Δ-1)(1-n)

(2)

(3)

式中：Δ為比重，Δ=γs/γ水=2.5；n為孔隙率，n=0.25。

圖1 大壩最大斷面(樁號(hào)0+200)滲流程序計(jì)算等勢線圖

壩后溢出點(diǎn)的滲透比降imax=0.2

3 大壩穩(wěn)定性分析

3.1 大壩變形復(fù)核

根據(jù)現(xiàn)場檢查可知，大壩上下游壩坡均有不同程度破壞。主壩段上游設(shè)砼護(hù)坡，砼護(hù)坡上分布有縱橫裂縫數(shù)條，縫寬1 cm～2 cm。護(hù)坡上未設(shè)排水孔。大壩兩側(cè)壩肩砼護(hù)坡底部有空洞現(xiàn)象，上下游壩坡雜草叢生。主壩段在壩頂上游側(cè)設(shè)置“L”型的鋼筋砼防浪墻，防浪墻有裂縫現(xiàn)象。下游未設(shè)排水設(shè)施。大壩左右壩肩在2016年7月28日曾發(fā)生壩頂漫流事件。

3.2 壩體變形分析

鐵斯巴汗水庫大壩上下游壩坡均有不同程度破壞。此現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因可能有兩點(diǎn)：

1)由于填筑土浸水后壩坡不均勻沉陷，部分壩段上游壩坡在水位正常降落期，受壩體內(nèi)水壓力的作用及水位變動(dòng)的影響。下游壩坡在正常高水位期受滲透壓力的作用向下游堆積。后經(jīng)自然風(fēng)力及雨水等條件的侵蝕，形成壩坡坡比不均一的現(xiàn)象。

2)水力侵蝕作用。由于建壩時(shí)上游壩坡未采用任何防浪措施，受風(fēng)浪掏刷作用，上游壩坡部分填筑土被水流侵蝕沉入庫盤內(nèi)，形成上游壩坡坡比不均一及陡坎等現(xiàn)象。

以上因素造成了壩體結(jié)構(gòu)變形，壩體的沉降降低了水庫興利庫容，影響了水庫興利作用的發(fā)揮。

3.3 大壩結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定分析

結(jié)合大壩實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)以下各工況進(jìn)行計(jì)算：

a.穩(wěn)定滲流期上下游壩坡，上游水位為正常蓄水位1244.18 m；

b.驟降期上游壩坡，上游水位從校核洪水位1245.19 m驟降至死水位1240 m。

(1)各計(jì)算斷面參數(shù)的選擇

鐵斯巴汗水庫大壩壩型為土工膜斜墻堆石壩。大壩全長290 m(其中30 m為交通橋)，最大壩高13.62 m，壩頂高程為1246.32 m，壩頂寬6.0 m。在壩頂上游側(cè)設(shè)置“L”型的鋼筋砼防浪墻，防浪墻頂高程為1246.52 m。上游壩坡為1∶1.5，采用0.2(厚) m×3(長) m×3(寬)m的C20F200砼塊護(hù)坡。下游壩坡為1∶1.4，采用8(厚) m×40(長) m×40(寬) cm的C15F200砼預(yù)制塊護(hù)坡。上游壩坡與防浪墻接觸處采用聚胺脂填塞。以最不利原則選取計(jì)算斷面，考慮到最大橫斷面處水頭壓力最大，最容易出現(xiàn)異常情況，所以選擇最大橫斷面0+200斷面及壩體沖毀重填橫斷面0+220斷面為計(jì)算斷面。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選取所選斷面的參數(shù)，土層參數(shù)見表3。

表3 鐵斯巴汗水庫大壩土層參數(shù)表

(2)計(jì)算方法

由于大壩為堆石壩，穩(wěn)定計(jì)算采用折線形滑面摩根斯頓-普賴斯法。

(3)計(jì)算結(jié)果見圖2及表4。

a橫斷面(0+200)正常蓄水位穩(wěn)定滲流期上游壩坡

b橫斷面(0+200)正常蓄水位穩(wěn)定滲流期下游壩坡

c橫斷面(0+200)正常蓄水位水位降落期上游壩坡

d橫斷面(0+220)壩后沖毀段正常蓄水位穩(wěn)定滲流期上游壩坡

e橫斷面(0+220)壩后沖毀段正常蓄水位穩(wěn)定滲流期下游壩坡

f橫斷面(0+220)壩后沖毀段正常蓄水位水位降落期下游壩坡

表4 鐵斯巴汗水庫大壩穩(wěn)定計(jì)算表

4 結(jié)論

(1)當(dāng)庫水位為穩(wěn)定滲流期(庫水位在1244.18 m)時(shí)，根據(jù)滲流程序計(jì)算得：大壩的年總滲流量為Q=15.59×104m3。壩體、壩基的滲流是穩(wěn)定。

(2)壩體浸潤線位置不高，出逸點(diǎn)在壩腳。考慮在工程加固時(shí)，只對(duì)上游壩坡進(jìn)行防滲處理。

(3)經(jīng)計(jì)算，大壩最大橫斷面0+200斷面穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為K上=1.928>1.25、K下=1.263>1.25；水位驟降期上游壩坡最小安全穩(wěn)定系數(shù)為K上=1.894>1.15，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(4)壩體沖毀重填段樁號(hào)0+220斷面穩(wěn)定滲流期上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為K上=1.998>1.25，水位驟降期上游壩坡最小安全穩(wěn)定系數(shù)為K上=1.918>1.15，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；穩(wěn)定滲流期下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為K上=1.026<1.25，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。