蘇家溝水庫(kù)攔河壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

馮景可

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

蘇家溝水庫(kù)位于河北省秦皇島市盧龍縣的潘莊鎮(zhèn)蘇家溝村東南，控制流域面積0.52km2。水庫(kù)主要由大壩樞紐、溢洪道及放水洞3部分組成，原設(shè)計(jì)總庫(kù)容12.55萬(wàn)m3。是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖的?。á颍┬退畮?kù)。工程等別為Ⅴ等，主要建筑物攔河壩、溢洪道、放水洞為5級(jí)建筑物。

蘇家溝水庫(kù)現(xiàn)有灌溉農(nóng)田26.7hm2，保護(hù)下游耕地20hm2。水庫(kù)建成運(yùn)行30多年來(lái)，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和當(dāng)?shù)厝藗兩畹姆€(wěn)定發(fā)揮了積極作用。由于存在的問(wèn)題嚴(yán)重威脅工程自身安全和水庫(kù)下游的防洪安全，為徹底消除水庫(kù)工程安全隱患，充分發(fā)揮其在防洪、灌溉等方面的綜合效益，需盡快實(shí)施水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程。

2 水文地質(zhì)概況

2.1 水文

蘇家溝水庫(kù)處于暖溫帶亞濕潤(rùn)氣候區(qū)，屬大陸季風(fēng)氣候，四季分明，春季溫涼少雨，夏季炎熱多雨，秋季干濕相間，冬季寒冷干燥。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫10.7℃，7月份平均氣溫25℃，極端最高氣溫39℃（1972年7月16日），1月平均氣溫零下6.4℃，極端最低氣溫零下22.7℃（1978年12月29日），年內(nèi)日平均氣溫5℃以上的持續(xù)時(shí)間229d。年日均氣溫0℃以上持續(xù)時(shí)間260d。

多年平均降雨量706mm，年最大降雨量1092mm，年最小降雨量323mm，日最大降雨量393.3mm；歷年最大洪水多出現(xiàn)在6～9月。洪水在年際變化上與降雨基本相同，具有年際變化懸殊的特點(diǎn)。年平均風(fēng)速2.4m/s，最大風(fēng)速17m/s。年最多為西南風(fēng)，次為西北風(fēng)?？h內(nèi)多年平均實(shí)際封凍日期每年69d。開(kāi)始結(jié)冰日期，最早11月5日，最晚12月2日。

2.2 地質(zhì)

蘇家溝水庫(kù)坐落于盧龍縣潘莊鎮(zhèn)蘇家溝村東南，地處燕山南麓長(zhǎng)城腳下的低山丘陵區(qū)，山巒重疊，溝壑縱橫，水土沖刷嚴(yán)重，河流兩岸多為第四系覆蓋層及巖石風(fēng)化殘積物和裸露基巖。地面高程74.26～102.28m。

壩址區(qū)丘陵起伏，溝谷發(fā)育，庫(kù)區(qū)的水源主要為大氣降水，通過(guò)地表（泉）明排，基巖裂隙水滲透和第四系孔隙水徑流匯集于水庫(kù)，儲(chǔ)水易受季節(jié)性控制。地下水位埋藏較淺，主要是靠大氣降水補(bǔ)給。2012年勘探期間地下水埋深 6.00～6.10m，地下水位73.69～73.79m。以第四系地層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種形式存在。

孔隙潛水主要賦存于第四系覆蓋層的孔隙中。第四系覆蓋層分布廣泛，透水性差，接受大氣降雨補(bǔ)給，水量不豐富。

地層巖性主要有第四系覆蓋層沖洪積層（Q4al+pl）、第四系全新統(tǒng)人工堆積（Qs）填土和太古界混合片麻巖（Ar）。

建筑物區(qū)所處的構(gòu)造單元為一級(jí)構(gòu)造單元的中朝準(zhǔn)地臺(tái)，二級(jí)構(gòu)造單元的燕山臺(tái)皺帶東段，三級(jí)構(gòu)造單元的山海關(guān)臺(tái)拱中部及遼西陷褶斷束南緣。根據(jù)中國(guó)地震局制定、國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的GB18306—2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》劃分及GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相當(dāng)于地震烈度7度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40s。

土體抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)建議值采用各級(jí)荷載下峰值抗剪強(qiáng)度的小值平均值；壓縮系數(shù)和壓縮模量的指標(biāo)建議值采用各級(jí)荷載下孔隙比的大值平均值，當(dāng)試驗(yàn)值存在明顯差異時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)值提出建議值；承載力建議值的提出主要是依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及參考經(jīng)驗(yàn)值，并綜合分析場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件后確定。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試及經(jīng)驗(yàn)值，綜合提出土體物理力學(xué)性質(zhì)建議值，如表1所示。

表1 壩體及壩基材料物理力學(xué)性質(zhì)

3 攔河壩滲流計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

攔河壩壩軸線為曲線，壩基條件較均一，現(xiàn)狀壩頂高程變化不大，因此選取河床部位最大壩高斷面作為典型計(jì)算斷面。采用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（AutoBANKv7.07）進(jìn)行計(jì)算。

3.2 穩(wěn)定滲流計(jì)算

3.2.1 計(jì)算工況

上游正常蓄水位83.56m，下游無(wú)水；上游設(shè)計(jì)洪水位84.85m，下游水位與河床地面齊平；上游校核洪水位85.71m，下游水位與河床地面齊平。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

由程序（AutoBANKv7.07）求解穩(wěn)定滲流期各工況滲流場(chǎng)。以正常蓄水位工況為例，H=83.56m，滲流量（進(jìn)）=1.04512×10-6m3/s，浸潤(rùn)線與滲流場(chǎng)速矢量圖如圖1。

圖1 正常蓄水位流速矢量圖

3.3 非穩(wěn)定滲流計(jì)算

3.3.1 計(jì)算工況

上游正常蓄水位83.56m降至死水位78.8m以上的任意水位；上游水位由校核洪水位85.71m降至正常蓄水位83.56m。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

由程序（AutoBANKv7.07）求解各工況滲流場(chǎng)。以正常蓄水位降至死水位工況為例，水位由83.56m降至78.8m，降落時(shí)間為120.14h。

t=0h，H=83.56m，滲流量（進(jìn)）=1.04513×10-6m3/s；

t=24.028h，H=83.5124m，滲流（進(jìn)）=4.494×10-6m3/s，滲流量（出）=-1.25401×10-6m3/s；

t=48.056h，H=82.5604m，滲流量（進(jìn)）=3.20743×10-9m3/s，滲流量（出）=-1.93047×10-6m3/s；

t=72.084h，H=81.6084m，滲流量（進(jìn)）=0，滲流量（出）=-2.22189×10-6m3/s;

t=96.112h，H=80.6564m，滲流量（進(jìn)）=2.86742×10-9m3/s，滲流量（出）=-2.47352×10-6m3/s；

t=120.14h，H=79.7044m，滲流量（進(jìn)）=0，滲流量（出）=-2.58677×10-6m3/s。浸潤(rùn)線與滲流場(chǎng)流速矢量圖如圖2。

圖2 正常蓄水位降至死水位流速矢量圖

3.3.3 壩坡出溢坡降

滲流在攔河壩坡面溢出，下游壩坡不發(fā)生流土條件，其公式：

式中 θ為壩坡坡角，θ＝22°；φ壩體土的內(nèi)摩擦角，采用勘探試驗(yàn)成果 φ＝16°；c 為壩體土粘結(jié)力（t/m2），采用本次勘探試驗(yàn)成果c＝1.6t/m2。

下游壩坡滲透穩(wěn)定。

4 攔河壩穩(wěn)定計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

攔河壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算斷面選取同滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面；壩體及壩基物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1。壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用圓弧法，按計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算，采用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（AutoBANKv7.07）進(jìn)行計(jì)算。

4.2 計(jì)算工況

按SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，計(jì)算工況如表2。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況

4.3 安全系數(shù)

根據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，5級(jí)大壩抗滑安全系數(shù)為：正常工作條件下大壩穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于等于1.25；非常工作條件Ⅰ下大壩穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于等于1.15；非常工作條件Ⅱ下大壩穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.10。

4.4 計(jì)算結(jié)果

由程序（AutoBANKv7.07）求解各工況最危險(xiǎn)滑面。以校核水位85.71m降至正常蓄水位83.56m工況為例，上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧如圖3。

圖3 校核水位降至正常蓄水位工況上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧

攔河壩上、下游壩坡各種工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 加固后壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

5 結(jié)語(yǔ)

蘇家溝水庫(kù)攔河壩加固后上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定，在正常工作條件和非正常工作條件下，安全系數(shù)均大于規(guī)范要求最小安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求。加固后攔河壩上下游穩(wěn)定。

［1］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.盧龍縣蘇家溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2013.

［2］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.盧龍縣蘇家溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告（報(bào)批稿）［R］.2013.

［3］馬文英，劉建中，李顯軍.水工建筑物［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.

［4］SL274—2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］SL189—96，小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.