黃河粗泥沙區(qū)某攔沙壩安全穩(wěn)定性分析

云 杰，楊 波

（榆林市淤地壩建設(shè)辦公室，陜西 榆林 719000）

1 概況

某攔沙壩庫區(qū)位于黃河一級(jí)支流無定河流域內(nèi)的黃河三級(jí)支溝(墩溝)上。庫尾回水長(zhǎng)度約1.5 km，整個(gè)庫區(qū)屬侵蝕剝蝕型低中山區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體呈南高北低。該支溝為季節(jié)性流水溝，庫區(qū)內(nèi)流向近南西向，河床縱比降約為15.9‰。流域面積48.11km2，水土流失面積47.6km2。流域多年平均降水量394.6mm、徑流深60 mm。該攔沙壩是流域中一座控制性中壩，壩高18.0 m，建筑物由壩體、放水工程和溢洪道三大件組成。該攔沙壩控制流域面積2.15 km2，匯流溝道長(zhǎng)2.21 km，總庫容51.99萬m3，攔泥庫容31.85萬m3。洪水重現(xiàn)期為30年設(shè)計(jì)，300年校核，設(shè)計(jì)淤積年限為20年，可淤成壩地9.65 hm2，現(xiàn)已運(yùn)行18年，淤地8 hm2。為了研究該攔沙壩的安全性和攔泥情況，現(xiàn)需對(duì)該攔沙壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以保障其安全運(yùn)行。

2 地質(zhì)分析

該攔沙壩所處流域?yàn)辄S土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)溝坡縱橫。庫區(qū)岸坡一般約20°～40°，局部較陡。壩址區(qū)高程1045 m～1140 m，河谷為“U”形谷，谷底寬約50 m左右，河床底寬25 m～40 m，較平緩。岸坡較陡，左岸坡坡度一般為40°～47°；右岸坡坡度為15°～50°，下陡上緩。壩址區(qū)未見泉水出露，地下水主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，賦存于沖洪積砂礫石、殘坡積碎石土、及砂巖裂隙中。主要接收大氣降水補(bǔ)給，直接排泄于溝谷。

據(jù)坑槽探及物探剖面揭露，壩址河床覆蓋層厚度一般為1 m～5 m，巖性為砂壤土、砂礫石；左岸坡腳坡積物厚度0～6 m，主要為棕黃色砂壤土、壤土，可見少量碎石土，左壩肩為黃土狀土，坡度約50°，厚度一般為2 m～10 m；右岸坡積物厚度2 m～11 m，主要為棕黃色砂壤土、壤土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)，人工於積砂壤土滲透系數(shù)為3×10-4cm/s～8×10-4cm/s，底部土夾碎石、礫石滲透系數(shù)為1×10-2～1×10-3cm/s。由于砂泥巖地層風(fēng)化的差異性，砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚度約為1 m～3 m，泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶厚度約為3 m～5 m，防滲水性好。庫區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，基本烈度為Ⅵ度。

3 防洪能力分析

3.1 基本情況

該攔沙壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為1019.00m，壩頂長(zhǎng)116 m，高18 m。上游壩坡1∶2，下游壩坡在壩高10 m處設(shè)有馬道，寬1.5 m。馬道以下坡比1∶1.5，以上坡比1∶1.25，鋪底寬68.50 m。為增加壩體的穩(wěn)定性，防止?jié)B流，在壩軸線處布設(shè)有結(jié)合槽，斷面為梯形，底寬2.0 m，深2.0 m，邊坡1∶1。壩在下游壩坡與兩岸坡腳銜接處及馬道上修建漿砌石排水溝，斷面為0.3 m×0.3 m，底板厚0.3 m，側(cè)墻厚0.3 m，其結(jié)構(gòu)為M7.5漿砌石砌筑，M10砂漿勾縫。大壩建設(shè)時(shí)采用了機(jī)械回填碾壓法進(jìn)行了填筑。

3.2 庫容分析

該攔沙壩分滯洪庫容和淤積庫容。采用《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》[1]中公式計(jì)算庫容:

式中:Ws為多年平均懸移質(zhì)輸沙量，萬m3；Mo為侵蝕模數(shù)萬t/（km2·a），查得Mo=1.0 萬 t/（km2·a）；F為壩控流域面積，km2，F(xiàn)=2.15 km2；r為泥沙容重，取 1.35 t/m3；N為淤積年限，年。

經(jīng)計(jì)算，其20年運(yùn)行淤積庫容為31.85萬m3。

要算滯洪庫容，先算溢洪情況，溢洪道采用矩形斷面的寬頂堰，計(jì)算下泄流量。查《黃河粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程一期項(xiàng)目可行性研究水文成果報(bào)告》得:Q3.3%=73 m3/s，W3.3%=12.64萬m3；Q0.33%=128 m3/s，W0.33%=27.95 萬 m3。

初步選定溢洪道斷面尺寸進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，步驟如下:

（1）由公式Q泄=Q校（1-V滯/W校），先假設(shè)V滯可求得Q泄值。

（2）由V總=V滯+V淤，根據(jù)水位庫容曲線由V總查得H總。則h滯=H總-h淤；

（3）將Q泄、h滯代入公式；可求得溢洪道堰寬B。

設(shè)計(jì)洪水和校核洪水條件下的調(diào)洪計(jì)算數(shù)值選取及計(jì)算結(jié)果分別見表1、表2。

表1 設(shè)計(jì)洪水條件下溢洪道調(diào)洪計(jì)算表

表2 校核洪水情況下溢洪道調(diào)洪計(jì)算表

由以上調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，確定溢洪道底寬5.0 m，在設(shè)計(jì)洪水條件下，泄流量為13.8 m3/s，滯洪水深h滯=1.5 m，滯洪庫容10.26萬m3；在校核洪水條件下，泄流量為35.8 m3/s，滯洪水深h滯=2.86 m，滯洪庫容20.14萬m3。

3.3 暴雨洪水計(jì)算

溝道最大洪水采用水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水保技術(shù)規(guī)范中的推理公式:

式中:Qp為設(shè)計(jì)頻率為P的最大洪峰流量，m3/s；h為凈雨深，mm，在全面匯流時(shí)代表相應(yīng)于τ時(shí)段的最大凈雨，在部分匯流時(shí)代表單一洪峰對(duì)應(yīng)的面平均凈雨；F為流域面積，km2；τ為流域匯流歷時(shí)為沿主溝道從出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離，km；m為匯流參數(shù)；J為沿程L的平均比降（以小數(shù)計(jì)）。

由于子洲處于陜蒙接壤地區(qū)，項(xiàng)目區(qū)屬陜北分區(qū)（Ⅰ區(qū)），該區(qū)域具有暴雨強(qiáng)度大、歷時(shí)短，洪水陡漲暴落、洪峰尖瘦等特點(diǎn)，屬典型的“超滲產(chǎn)流”，因此采用“暴雨推求設(shè)計(jì)洪水”方法進(jìn)行推流。公式為:

式中:m為匯流參數(shù)；θ1為流域特征參數(shù)，θ1＝L/（JF）1/3；hR為凈雨量，mm，hR＞90 時(shí)采用 90。

查算出匯流參數(shù)m后，按式計(jì)算，計(jì)算并繪制Q～τ曲線，同時(shí)根據(jù)凈雨過程繪制Q～t曲線，兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)120 m3/s 即為所求的洪峰流量Qp，橫坐標(biāo)0.6即為匯流歷時(shí)τ，見圖1。

圖1 攔沙壩Qm～τ和Qm～t曲線

根據(jù)降雨徑流關(guān)系，不同頻率洪水總量等于單位換算系數(shù)0.1乘上頻率為P的不同時(shí)段暴雨徑流深（凈雨深），再乘上壩址以上集水面積2.15 km2。不同頻率下的洪水計(jì)算情況見表3。

表3 不同頻率下的洪峰流量、洪水總量

3.4 輸沙量計(jì)算

根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范溝壑治理技術(shù)》[2]，年均輸沙量等于壩址以上集水面積2.15 km2乘上壩址所在區(qū)域多年平均侵蝕模數(shù)。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)1954年～2007年系列輸沙模數(shù)分區(qū)圖、試驗(yàn)小流域水土流失測(cè)驗(yàn)成果分析，該區(qū)域多年平均侵蝕模數(shù)0.74萬t/（km2·a）。經(jīng)計(jì)算，其年輸沙量為1.59萬m3/a，所以18年來，該壩已淤積泥沙28.64 萬 m3/a。

4 壩體穩(wěn)定分析

4.1 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

考慮庫區(qū)淤積主要來自庫區(qū)殘坡積碎石土、風(fēng)積砂及黃土，因此壩前淤積參數(shù)取壩址區(qū)砂壤土、泥夾砂礫石、碎石指標(biāo)建議值的平均值。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)算，壩體填土天然密度（濕密度）16.8 kN/m3，飽和密度19.8 kN/m3。壩前淤積天然密度（濕密度）14.5 kN/m3，飽和密度18.4 kN/m3。壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算采用剛體極限平衡法，該攔砂壩為均質(zhì)土壩，危險(xiǎn)滑面采用圓弧滑面進(jìn)行搜索。

計(jì)算穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定時(shí)，假定上游壩殼內(nèi)浸潤(rùn)線與上游水位相同；壩體內(nèi)浸潤(rùn)線依據(jù)滲流計(jì)算成果確定。根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范，壩體允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按照正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件應(yīng)分別采用1.25和1.15。壩坡穩(wěn)定分為兩種工況:工況一，正常運(yùn)行條件下，上游設(shè)計(jì)洪水位1009.98 m高程、下游無水時(shí)的上下游壩坡；工況二，上游淤積高程1011.70 m，相應(yīng)上游水位1014.82 m、下游無水時(shí)的下游壩坡。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范，碾壓式土壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況為:運(yùn)用期下游壩坡穩(wěn)定。由于本工程壩址區(qū)地震烈度為VI度，可不進(jìn)行抗震穩(wěn)定驗(yàn)算。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院陳祖煜編寫的“土石壩邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序STAB2009”，該程序計(jì)算方法滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）的有關(guān)規(guī)定，符合《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》（SL 289-2003）的要求。壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法，采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法。某攔砂壩為均質(zhì)土壩，危險(xiǎn)滑面采用圓弧滑面進(jìn)行搜索。計(jì)算穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定時(shí)，假定上游壩殼內(nèi)浸潤(rùn)線與上游水位相同；壩體內(nèi)浸潤(rùn)線依據(jù)滲流計(jì)算成果確定。

各工況上下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)為:工況一上游最小安全系數(shù)為1.881，下游最小安全系數(shù)為1.380，允許安全系數(shù)1.25。工況二下游最小安全系數(shù)為1.151，允許安全系數(shù)1.15。最危險(xiǎn)滑弧分布見圖2、圖3。

圖2 正常運(yùn)用條件下，上游設(shè)計(jì)洪水位1009.98 m高程、下游無水時(shí)的上下游壩坡最危險(xiǎn)滑面分布圖

圖3 上游淤積高程1011.70 m，相應(yīng)上游水位1014.82 m、下游無水時(shí)的下游壩坡最危險(xiǎn)滑面分布圖

由圖2、圖3可知，當(dāng)上游壩坡坡比1∶2，下游壩坡坡比1∶1.5時(shí)，各工況下的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于安全系數(shù)，在安全范圍內(nèi)，滿足安全規(guī)范要求。上游壩坡較下游壩坡緩且上游水壓力有抑制上游壩坡向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，因而上游穩(wěn)定安全系數(shù)較下游壩坡高。工況二壩前淤積厚度10.7 m，淤積阻止上游壩坡滑面向上游滑動(dòng)，上游壩坡安全系數(shù)大大提高，因而此工況上游壩坡穩(wěn)定可不予計(jì)算；工況二上游水位較工況一上游水位升高4.72 m，壩體浸潤(rùn)線進(jìn)一步抬高，因而下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)較工況一有所減小，穩(wěn)定安全系數(shù)減小于1.151，基本滿足規(guī)范要求，該工況下游壩坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)該攔沙壩總庫容在50×104m3～100×104m3之間，洪水重現(xiàn)期為30年設(shè)計(jì)，經(jīng)綜合分析，該壩當(dāng)前安全穩(wěn)定，各項(xiàng)功能均滿足設(shè)計(jì)要求，能防御30年一遇洪水。

5 結(jié)語

某攔沙壩自建設(shè)以來，充分發(fā)揮了的攔沙淤地效益。分析攔沙壩運(yùn)行以來的安全現(xiàn)狀，有利于發(fā)揮更好的效益和進(jìn)行除險(xiǎn)加固，確保庫壩安全。經(jīng)過對(duì)大壩的防洪能力、攔沙狀況進(jìn)行分析，該攔沙壩安全可靠，仍可繼續(xù)發(fā)揮效益。因?yàn)槠浼磳⒂贊M，所以要加強(qiáng)監(jiān)管，防微杜漸。