邢臺市某土石壩壩體結構設計及滲流穩定分析

姚 浩，劉 瑩，申智鵬

（黑龍江大學水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

土石壩結構簡單,設計方便,造價經濟,是應用最為廣泛的一種壩型,但因土石壩建壩材料的影響,滲流穩定問題一直影響著土石壩的穩定性,由于滲流問題而導致土石壩失事的事故頻頻發生,所以合理、準確地對土石壩滲流及壩坡穩定性進行分析極為重要[1]。邢臺市某水庫位置在內丘縣北方,建在李陽河的一條支流上,水庫主要構造有溢洪道,大壩主體和放水洞,溢洪道與大壩相距50 m,位于壩體左岸,放水洞布置在距壩底1.5 m處的壩體中間,用鋼筋混凝土建造,大壩主體為粘土心墻土石壩,本文采用理正巖土計算6.5 PB3版,采用簡化畢肖普法對壩坡穩定進行分析計算,討論壩體滲流和壩坡穩定性問題。

1 壩體結構

本次設計粘土心墻土石壩壩頂高程14.2 m,壩頂寬6 m,壩頂不設防浪墻,上游壩坡坡度1∶2.7,下游壩坡坡度1∶2.5。壩體防滲采用粘土心墻,壩基為透水性較弱的片麻巖,巖石種類單一,強度較好,沒有發現斷層構造,未發現較大裂縫,裂縫相互獨立,無水流交換,透水性較弱,故不設防滲帷幕。粘土心墻頂寬3 m,兩側坡比1∶0.2,心墻外設保護層和過渡層。上下游壩坡均設置0.3 m厚干砌石護坡,護坡下設兩層0.2 m厚的反濾層。下游壩腳采用棱體排水,棱體寬1 m,高1 m,上游坡度為1∶1.5,下游坡度為1∶2,為滿足滲流要求,棱體上游坡腳應為銳角。

圖1 粘土心墻土石壩最大剖面圖

1.1 護坡

土石壩上游壩坡因經常遭受波浪沖刷和水位變化的影響,下游壩坡遭受雨水沖刷和植被破壞,需在兩側壩坡設置護坡以保護坡面,防止發生破壞。

上游護坡因長時間浸泡在水里,需考慮其防滲性,應合理選擇干砌石的直徑和布置厚度。在最大局部波壓力作用下的直徑D（換算為球形直徑）、重量Q和厚度t由下式計算：

式中：γk、γ為石塊的容重和水的容重,km/m3；m為壩坡坡率；h為設計爬高,取累計頻率P=5%的爬高；K為隨坡率變化的系數。

經計算,上游設置0.3 m厚的干砌石護坡,可以增加壩坡穩定性,防止坡面因沖刷而導致壩體失穩。影響下游護坡工作的因素較少,布置方式與上游壩坡相同,設置0.3 m厚干砌石護坡,防止雨水、動物、人類活動等的影響。

1.2 壩頂布置

壩頂寬6 m,表面鋪設黃泥灌漿碎石,厚0.2 m,此時壩頂高程為14.2 m,壩頂表面為排放雨水,表面坡度為2%。壩面排下的雨水需要集中到排水溝中,排水溝尺寸取0.2 m×0.2 m,排水溝外側應修建砂漿石圍墻用以圍擋雨水,墻高0.5 m,厚0.3 m。為將排水溝中的水排出,排水溝側面需設置一孔,排水孔每30 m設一個。

圖2 壩頂結構圖

1.3 壩腳排水

土石壩滲流問題是很重要的一個問題,為保證壩體穩定性,壩體內外的水需及時排出,在壩腳也需設置排水設施以排出匯流的水,以防冰凍破壞。下游排水體應能滿足水流自由流出的要求,使壩體內排出的水流能流到下游,排水體還應起到防止土體流失的作用以防發生堵塞[2]。本次采用棱體排水,上游側與壩體接觸處需設置反濾層,棱體排水的主要優點是可降低浸潤線。棱體寬1 m,高1 m,上游坡度為1∶1.5,下游坡度為1∶2,為滿足滲流要求,棱體上游坡腳應為銳角。反濾層設計又滿足保護壩體土體的作用,土料粒徑應沿滲流方向逐步增大,本次采用粗砂、中砂、細砂作為反濾層材料,每層鋪設10 cm。

圖3 棱體排水

1.4 壩面排水

壩面排水主要處理壩面、壩坡及兩岸的雨水,維持壩坡穩定,壩坡排水溝之間要相互連接,構成整體,與壩軸線平行的排水溝應設置成階梯型以減緩水流流速,垂直方向的排水溝每50 m設置一條,排水溝深0.3 m。

圖4 壩面排水

2 壩體滲流分析

壩殼料采用砂礫料填筑,滲透系數為4.7×10-5m/s,天然密度為1.90 g/cm3,干密度1.72 g/cm3；防滲體采用粘土填筑而成,滲透系數為6.5×10-7m/s,含水率為12.5%,天然密度為1.82 g/cm3,干密度為1.62 g/cm3。

2.1 滲流量計算

在計算時,將心墻等效為矩形,運用達西定理,解出防滲體的滲流問題,防滲體上游近似認為水頭無損失,假定壩的上下游水位即為心墻的水位,總滲流量按河床中間斷面的平均進行計算[3]。

圖5 滲流計算簡圖

滲流計算需考慮以下三種工況：

（1）上游正常蓄水位11.0 m,下游無水時,此時的大壩滲透坡降最大。

（2）大壩上游為設計洪水位12.16 m,下游水位為0.2 m時,此時大壩浸潤線較高,滲流量大。

（3）大壩上游為校核洪水位12.96 m,下游水位為0.3 m時,此時大壩浸潤線最高,滲流量最大。

在計算滲流總量時,我們使用垂直線將大壩分成如圖所示的若干部分,然后計算每一個剖面的單寬滲流量,并乘以相應的長度求出大壩的總滲水量,公式如下：

式中：L1、L2……Ln為各段壩長,m；q1、q2……qn為各斷面處的單寬滲流量,m3/（s·m）。

圖6 總滲流量計算簡圖

計算結果見表1。

表1 滲流量計算成果表

2.2 滲流穩定計算

滲流穩定根據《水力學計算手冊》第二版計算,建壩所需沙礫料容許水力比降為0.43,逸出點水力比降由式J=ΔH/d計算,式中

經計算,上游水位分別為正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位時,滲流逸出點的水力比降分別為0.36、0.357、0.355,均小于容許比降0.43,滿足要求,大壩滲透變形穩定安全。

3 壩坡穩定分析

土石壩因截面較大,發生滑動失穩的概率較小,主要考慮其壩坡的穩定,需要計算上游和下游壩坡的穩定系數,和規定安全值比較是否符合設計要求。土石壩穩定分析是為了尋找一個最小滑動面,和規范規定的安全系數比較判斷是否滿足要求,以此來判斷我們的設計尺寸是否合理[4],因土石壩壩坡上可能有很多滑動點,所以需要確定不同的高程進行穩定計算,根據各點的穩定性,來判斷整個壩坡的穩定。

計算采用理正巖土計算6.5 PB3版,采用簡化畢肖普法,根據場地所處區域地質勘探資料,依據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）,該地為中軟場地土,類別為Ⅱ類。地震設防烈度為7度,裂度較低,不考慮地震影響,計算參數見表2。

表2 材料參數表

計算結果見表3。

表3 壩坡抗滑穩定分析結果

各工況壩坡穩定性均滿足要求。

4 結論

土石壩的滲流及穩定分析是土石壩安全校核的一個重要問題,目前國內土石壩工程已經基本進入除險加固階段,本文通過對邢臺市某土石壩結構設計及滲流穩定的分析,得出該土石壩滲流和穩定均滿足設計要求,該方法可用于土石壩的滲流穩定分析,能夠為今后水利工作人員計算土石壩滲流問題提供便利。

土石壩因其結構簡單、施工方便而成為應用最為廣泛的壩型,但因建壩材料的影響,土石壩穩定性不強,失事概率高,因此在施工之前必須對土石壩的滲流及穩定進行嚴格計算,確保壩體滿足設計要求,減少土石壩失事頻率。