砂礫石填筑引水渠道邊坡穩(wěn)定性分析

□孫玉芬（烏蘇市水利管理站）

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砂礫石填筑引水渠道邊坡穩(wěn)定性分析

□孫玉芬（烏蘇市水利管理站）

摘要：砂礫石層地質(zhì)邊坡在開挖過程中巖體性質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)變化較大，設(shè)計階段要對砂礫石地基防滲填筑引水渠道的邊坡滲流及穩(wěn)定性進行計算分析。文章就渠道滲流計算和邊坡穩(wěn)定計算過程中的注意事項進行闡述，為設(shè)計方案優(yōu)化提供充分?jǐn)?shù)據(jù)支撐。為邊坡加固處理設(shè)計施工提供有利資料支撐。

關(guān)鍵詞：引水渠道；滲流；邊坡；穩(wěn)定性

1工程概況

新疆某水電站引水流量100 m3/s，電站裝機容量為40 MW，多年平均發(fā)電量1.67億kW·h。工程由電站引水渠首、引水渠道、暗渠、壓力前池、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、廠房、尾水渠道、輸水渡槽、排洪涵洞、排洪渡槽、交通橋等建筑物組成。本文主要分析引水渠道滲流及邊坡穩(wěn)定性，為邊坡加固處理設(shè)計施工提供有利資料支撐。

2渠道滲流分析

新疆某水電站工程填方渠道全段采用0.60 mm土工膜防滲，根據(jù)SLT231-98《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，土工膜的滲透系數(shù)k值約10-11～10-13cm/s，等同于無限不透水體。土工膜的滲流可以分為兩類：無損土工膜在水壓力的作用下的滲透；由于各種因素引起的缺陷或破損孔洞而產(chǎn)生的滲漏。

運用水量平衡原理反演出考慮土工膜孔洞的影響后的滲透系數(shù)約10-7～10-8cm/s。本計算土工膜采用等效土體法進行計算，把土工膜等效成厚度為2 m，滲透系數(shù)為3.30×10-4cm/s的土體。經(jīng)計算，在土工膜的保護下，渠堤不會發(fā)生滲透破壞。

渠堤滲流穩(wěn)定計算采用有限元法，使用《理正巖土計算5.6PB1》網(wǎng)絡(luò)版中的“滲流穩(wěn)定計算系統(tǒng)”進行計算。計算取引水渠道砂礫石最大填高（17 m）的斷面進行計算。計算參數(shù)見表1。

表1　渠道滲透穩(wěn)定參數(shù)表

根據(jù)滲流計算圖1，渠堤最高溢出點位于距渠堤約5.50 m左右的外坡，其滲透比降為0.07，小于渠堤填筑砂礫料的允許滲透比降0.08。渠堤不會發(fā)生滲透變形?？紤]施工、土體位移、基礎(chǔ)沉降等原因會造成土工膜局部破壞的不確定性，有可能渠堤會產(chǎn)生滲漏通道，進而發(fā)生滲漏破壞。

圖1　砂礫石最大填高斷面滲流計算簡圖

堤坡下游坡面滲流溢出后，滲水對渠坡具有一定的沖刷作用，堤坡抗沖刷破壞的臨界比降可用下式估算：

JC=γ'/γ"（tanφ-tanβ）cosβ+C/γ"

式中：γ'—土的浮容重；γ"—水的容重；φ—土在水下的內(nèi)摩擦角；C—土的粘聚力；β—堤坡的坡腳。

經(jīng)計算，堤坡抗沖刷破壞的臨界比降為0.23，大于邊坡的溢出比降，渠道在滲透水流的作用下是安全的；但是，由于土工膜防滲體系發(fā)生破壞位置、面積等的不可確定性，為滿足滲透穩(wěn)定、保證外邊坡不發(fā)生滲漏破壞，需在高填方段渠道外邊坡外側(cè)浸潤線以上加設(shè)戧臺，既可以起到延長滲徑的作用，又可以起到穩(wěn)固邊坡，減小滲漏沖刷的作用。

3渠道邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001），對引水渠道進行了抗滑穩(wěn)定計算。因渠道均采用砂礫石填筑，屬土質(zhì)邊坡，故計算采用中國水利水電科學(xué)研究院編制的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB》。

新疆某水電站工程引水渠道為4級建筑物，根據(jù)邊坡安全系數(shù)控制如表2所示。

表2　渠道邊坡設(shè)計安全系數(shù)表

計算主要考慮兩種工況即：a正常運用工況：渠道正常運行；b地震工況：渠道正常運行遭遇地震。

地質(zhì)專業(yè)提供渠道邊坡物理參數(shù)如表3所示：

表3　渠道邊坡物理參數(shù)表

結(jié)合渠道滲流計算，在距渠頂5 m處，加4 m戧臺，外邊坡1:1.50時，渠道在正常運用工況及地震工況下邊坡穩(wěn)定均能滿足規(guī)范的要求，但在地震工況時，渠道的安全系數(shù)僅略大于規(guī)范允許值，為保證渠道的安全運行，設(shè)計在渠道外邊坡?lián)? m處設(shè)一寬4 m戧臺，外邊坡為1:1.75，采用和渠堤同一料場的砂礫石填筑。填筑料的物理參數(shù)見表3，渠道最高斷面處典型剖面填方邊坡的計算成果簡圖見圖2～3。圖中陰影部分為不穩(wěn)定體，對應(yīng)底滑面為最不利滑動面，其中“臨界滑面”對應(yīng)值為最不利滑動面抗滑安全系數(shù)。

圖3　正常運用工況邊坡穩(wěn)定計算簡圖

圖4　地震工況邊坡穩(wěn)定計算簡圖

加4 m戧臺工況下渠道的邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見表4。

表4　渠道邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

由以上分析可以看出，據(jù)渠頂5 m處加4 m戧臺的設(shè)計方案，在外邊坡為1:1.50和1:1.75時，安全系數(shù)均能達到規(guī)范要求。而外邊坡取1:1.75時，渠道邊坡在各種工況下的邊坡穩(wěn)定計算安全系數(shù)均較規(guī)范允許值有一定的富余，推薦采用據(jù)渠頂5 m處加4 m戧臺，外邊坡1:1.75的設(shè)計方案。

4結(jié)語

影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有內(nèi)在因素和外部因素兩個方面，內(nèi)在因素包括組成邊坡的地貌特征、巖土體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)、巖體初始應(yīng)力等；外部因素包括水的作用、地震、巖體風(fēng)化程度、工程荷載條件及人為因素。內(nèi)在因素對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，外部因素起誘發(fā)破壞作用。本工程設(shè)計階段運用正確的計算方法，為工程設(shè)計收集了全面的數(shù)據(jù)支撐，同時為邊坡處理提供了有利的措施保障，特別是在引水渠道較長時，可以有效降低工程投資成本。

參考文獻

[1]陳祖煜.《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB》[P]，中國水利水電科學(xué)研究院.

[2]李晶巖,付麗.邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].山西建筑, 2011, 37

(4): 65-66.

（責(zé)任編輯：劉青）

收稿日期：2015-12-10

作者簡介：孫玉芬（1978-），女，工程師，研究方向為農(nóng)田水利工程建設(shè)與管理。

中圖分類號：TV47

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-8853（2016）01-0084-02