邢臺(tái)市某土石壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及滲流穩(wěn)定分析

姚 浩，劉 瑩，申智鵬

（黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

土石壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)方便,造價(jià)經(jīng)濟(jì),是應(yīng)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(wěn)定問(wèn)題一直影響著土石壩的穩(wěn)定性,由于滲流問(wèn)題而導(dǎo)致土石壩失事的事故頻頻發(fā)生,所以合理、準(zhǔn)確地對(duì)土石壩滲流及壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析極為重要[1]。邢臺(tái)市某水庫(kù)位置在內(nèi)丘縣北方,建在李陽(yáng)河的一條支流上,水庫(kù)主要構(gòu)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(jì)算6.5 PB3版,采用簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)壩坡穩(wěn)定進(jìn)行分析計(jì)算,討論壩體滲流和壩坡穩(wěn)定性問(wèn)題。

1 壩體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)粘土心墻土石壩壩頂高程14.2 m,壩頂寬6 m,壩頂不設(shè)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(qiáng)度較好,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造,未發(fā)現(xiàn)較大裂縫,裂縫相互獨(dú)立,無(wú)水流交換,透水性較弱,故不設(shè)防滲帷幕。粘土心墻頂寬3 m,兩側(cè)坡比1∶0.2,心墻外設(shè)保護(hù)層和過(guò)渡層。上下游壩坡均設(shè)置0.3 m厚干砌石護(hù)坡,護(hù)坡下設(shè)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(yīng)為銳角。

圖1 粘土心墻土石壩最大剖面圖

1.1 護(hù)坡

土石壩上游壩坡因經(jīng)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(cè)壩坡設(shè)置護(hù)坡以保護(hù)坡面,防止發(fā)生破壞。

上游護(hù)坡因長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水里,需考慮其防滲性,應(yīng)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(jì)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(shè)計(jì)爬高,取累計(jì)頻率P=5%的爬高；K為隨坡率變化的系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,上游設(shè)置0.3 m厚的干砌石護(hù)坡,可以增加壩坡穩(wěn)定性,防止坡面因沖刷而導(dǎo)致壩體失穩(wěn)。影響下游護(hù)坡工作的因素較少,布置方式與上游壩坡相同,設(shè)置0.3 m厚干砌石護(hù)坡,防止雨水、動(dòng)物、人類活動(dòng)等的影響。

1.2 壩頂布置

壩頂寬6 m,表面鋪設(shè)黃泥灌漿碎石,厚0.2 m,此時(shí)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(cè)應(yīng)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(cè)面需設(shè)置一孔,排水孔每30 m設(shè)一個(gè)。

圖2 壩頂結(jié)構(gòu)圖

1.3 壩腳排水

土石壩滲流問(wèn)題是很重要的一個(gè)問(wèn)題,為保證壩體穩(wěn)定性,壩體內(nèi)外的水需及時(shí)排出,在壩腳也需設(shè)置排水設(shè)施以排出匯流的水,以防冰凍破壞。下游排水體應(yīng)能滿足水流自由流出的要求,使壩體內(nèi)排出的水流能流到下游,排水體還應(yīng)起到防止土體流失的作用以防發(fā)生堵塞[2]。本次采用棱體排水,上游側(cè)與壩體接觸處需設(shè)置反濾層,棱體排水的主要優(yōu)點(diǎn)是可降低浸潤(rùn)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(yīng)為銳角。反濾層設(shè)計(jì)又滿足保護(hù)壩體土體的作用,土料粒徑應(yīng)沿滲流方向逐步增大,本次采用粗砂、中砂、細(xì)砂作為反濾層材料,每層鋪設(shè)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(wěn)定,壩坡排水溝之間要相互連接,構(gòu)成整體,與壩軸線平行的排水溝應(yīng)設(shè)置成階梯型以減緩水流流速,垂直方向的排水溝每50 m設(shè)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(shù)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(shù)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(jì)算

在計(jì)算時(shí),將心墻等效為矩形,運(yùn)用達(dá)西定理,解出防滲體的滲流問(wèn)題,防滲體上游近似認(rèn)為水頭無(wú)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(jìn)行計(jì)算[3]。

圖5 滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

滲流計(jì)算需考慮以下三種工況：

（1）上游正常蓄水位11.0 m,下游無(wú)水時(shí),此時(shí)的大壩滲透坡降最大。

（2）大壩上游為設(shè)計(jì)洪水位12.16 m,下游水位為0.2 m時(shí),此時(shí)大壩浸潤(rùn)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(shí),此時(shí)大壩浸潤(rùn)線最高,滲流量最大。

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

式中：L1、L2……Ln為各段壩長(zhǎng),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(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滲流量計(jì)算成果表

2.2 滲流穩(wěn)定計(jì)算

滲流穩(wěn)定根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》第二版計(jì)算,建壩所需沙礫料容許水力比降為0.43,逸出點(diǎn)水力比降由式J=ΔH/d計(jì)算,式中

經(jīng)計(jì)算,上游水位分別為正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí),滲流逸出點(diǎn)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(wěn)定安全。

3 壩坡穩(wěn)定分析

土石壩因截面較大,發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的概率較小,主要考慮其壩坡的穩(wěn)定,需要計(jì)算上游和下游壩坡的穩(wěn)定系數(shù),和規(guī)定安全值比較是否符合設(shè)計(jì)要求。土石壩穩(wěn)定分析是為了尋找一個(gè)最小滑動(dòng)面,和規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)比較判斷是否滿足要求,以此來(lái)判斷我們的設(shè)計(jì)尺寸是否合理[4],因土石壩壩坡上可能有很多滑動(dòng)點(diǎn),所以需要確定不同的高程進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,根據(jù)各點(diǎn)的穩(wěn)定性,來(lái)判斷整個(gè)壩坡的穩(wěn)定。

計(jì)算采用理正巖土計(jì)算6.5 PB3版,采用簡(jiǎn)化畢肖普法,根據(jù)場(chǎng)地所處區(qū)域地質(zhì)勘探資料,依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）,該地為中軟場(chǎng)地土,類別為Ⅱ類。地震設(shè)防烈度為7度,裂度較低,不考慮地震影響,計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)表

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果

各工況壩坡穩(wěn)定性均滿足要求。

4 結(jié)論

土石壩的滲流及穩(wěn)定分析是土石壩安全校核的一個(gè)重要問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)土石壩工程已經(jīng)基本進(jìn)入除險(xiǎn)加固階段,本文通過(guò)對(duì)邢臺(tái)市某土石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及滲流穩(wěn)定的分析,得出該土石壩滲流和穩(wěn)定均滿足設(shè)計(jì)要求,該方法可用于土石壩的滲流穩(wěn)定分析,能夠?yàn)榻窈笏ぷ魅藛T計(jì)算土石壩滲流問(wèn)題提供便利。

土石壩因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便而成為應(yīng)用最為廣泛的壩型,但因建壩材料的影響,土石壩穩(wěn)定性不強(qiáng),失事概率高,因此在施工之前必須對(duì)土石壩的滲流及穩(wěn)定進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算,確保壩體滿足設(shè)計(jì)要求,減少土石壩失事頻率。