駝兒潭水庫除險加固工程大壩滲流穩定計算

路書杰

(中工武大設計集團有限公司，武漢 430000)

1 工程概況

駝兒潭水庫位于赤壁市境內陸水河支流白石港上游，距赤壁市城區25 km，屬陸水河水系，水庫集雨面積8.00 km2，總庫容為363.98×104m3，設計灌溉面積133.333 hm2。水庫30年一遇設計洪水位173.72 m，300年一遇校核洪水位174.28 m。水庫由大壩、溢洪道、輸水管3部分組成，是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水等綜合效益的小(Ⅰ)型水庫[1]。

2 工程地質

駝兒潭水庫壩址區出露地層主要為第四系覆蓋層、志留系地層及二疊系地層，基巖巖性為二疊系下統灰巖，第四系地層分布廣泛，成因類型以殘坡積、沖洪積及坡積物為主。

壩體心墻填筑料為黏土，棕色、棕紅色，主要為殘積黏土、少量碎石、塊石混雜而成，局部夾有少量腐殖質，夾有多層松散層、碎石層及腐殖質，局部有架空小空洞。壩殼料由風化泥土夾碎石、塊石、強風化巖屑構成，呈碎石土狀，碎石含量在50%～60%之間，由弱風化灰巖、白云巖、泥灰巖組成，粒徑5～30 cm之間，呈棱角狀。

3 防滲加固措施

駝兒潭水庫大壩為黏土心墻土石壩，最大壩高36.60 m。本次心墻加固采用高壓旋噴樁防滲墻加固處理，防滲軸線布置在壩體軸線上，高壓旋噴樁樁徑1.00 m，依據防滲墻上下游水頭不同，旋噴樁樁間距0.70～0.80 m，成墻厚度0.71～0.60 m，鉆孔孔斜率不大于0.5%。

壩基防滲采用單排帷幕灌漿，帷幕向右壩肩延伸10.00 m，孔距2.00 m，帷幕底線深入透水率10Lu線以下5.00 m。

4 壩址下游水位與流量關系計算

駝兒潭水庫壩址下游順直河段長約200 m，河床主要由小卵石、粗砂組成，河道147.00高程以下斷面呈U字形，無雍水現象，根據實際測量結果繪制壩址下游河道橫斷面圖。水位與流量關系計算公式如下：

式中:Q為洪峰流量，m3/s；A為有效過水斷面面積，m2；n為河床糙率；R為水力半徑，m；S為水面比降。

根據河床組成，結合湖北省河道糙率經驗公式確定該河段的糙率(取為0.04)，水面比降按實測縱斷面比降計算(取為0.080 8)。

通過計算，駝兒潭水庫壩址下游水位流量關系成果見表1。

表1 水庫壩址下游水位流量關系表

5 水庫放空時段估算

由于輸水管承擔著特殊工況放空水庫的任務，溢洪道堰頂高程以上水量由溢洪道宣泄，輸水管放空水位從堰頂高程172.00 m開始、至死水位155.00 m結束，放空過程輸水管閘門全開。輸水管的放空時間根據管道的過流能力，結合水庫區間庫容計算，其計算成果見表2。

表2 水庫放空時間計算表

6 大壩滲流穩定計算

6.1 大壩滲流穩定計算工況

大壩荷載組合分為基本組合和特殊組合，結合本工程實際，考慮以下組合情況。

正常運用條件：①正常蓄水位條件下穩定滲流期上、下游壩坡；②設計洪水位條件下水庫降落期上游壩坡；③正常運用條件下水庫降落期上游壩坡。

非常運用條件下穩定滲流期上下游壩坡

非常運用條件下水庫降落期上游壩坡

水位降落時段：校核洪水位及設計洪水位降落至正常蓄水位依據水庫調洪演算時段確定，本工程均取6h。正常蓄水位降落至死水位降落時段依據水庫放空時段估算確定，具體放空時段見表2。

6.2 基本參數

根據試驗成果，并參照類似工程擬定抗剪強度指標。壩基及壩體滲流穩定計算采用的物理力學指標見表3。

表3 穩定計算采用的物理力學指標

6.3 滲流穩定計算

根據有限元分析方法進行計算，采用河海大學工程力學系《水工結構分析系統》(Autobank V7.41版)軟件計算，校核洪水位時浸潤線計算簡圖見圖1-圖2。

圖1 加固前校核洪水位水頭等值線圖

圖2 加固后校核洪水位水頭等值線圖

由計算結果可知，水庫加固后校核洪水位時浸潤線經過上游代料區、壩體心墻區、下游代料區，滲流量Q=3.78×10-5m3/s，下游溢出點高程低于排水棱體頂高程，大壩滿足滲流穩定要求。

6.4 壩坡穩定計算

依據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2020)的要求[2]，對大壩最大斷面進行各種工況的上下游壩坡進行抗滑穩定計算。程序按畢肖普法，采用有效應力法進行土石壩邊坡穩定分析。計算結果見表4。

表4 加固前后抗滑穩定安全計算結果表

由計算成果可知，各運用條件下，大壩防滲加固后各計算工況上下游壩坡抗滑穩定安全系數均大于規范要求，大壩安全可靠。加固前后典型工況滑坡危險滑裂面及計算成果見圖3-圖8。

圖3 加固前抗滑穩定計算圖(校核洪水位)

圖4 加固后抗滑穩定計算圖(校核洪水位)

圖5 加固前抗滑穩定計算圖(校核洪水位～正常蓄水位)

圖6 加固后抗滑穩定計算圖(校核洪水位～正常蓄水位)

圖7 加固前抗滑穩定計算圖(正常蓄水位～死水位)

圖8 加固后抗滑穩定計算圖(正常蓄水位～死水位)

7 結論和建議

駝兒潭水庫大壩心墻采用高壓旋噴樁防滲心墻加固處理，能有效降低大壩浸潤線，明顯提高水庫高水位運行大壩抗滑穩定安全系數，加固后大壩上下游邊坡各工況抗滑穩定系數均滿足規范要求。以下對小型水庫除險加固土石壩滲流穩定計算提出兩點看法，以供參考：

1) 小型水庫除險加固工程巖土試驗成果較少，各巖土層各物理力學指標值單一，材料參數選取須參照當地類似工程地質資料及參閱專業書籍慎重甄選，最好有地勘專業人員協助選取。

2) 要針對各工況反復計算，對計算結果要進行一致性分析，對異常結果要充分分析原因，并調整相應參數重新計算，確保計算結果準確可靠。