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        鷹盤山水庫大壩安全分析評價

        2013-10-24 12:08:38蔡景禮
        黑龍江水利科技 2013年2期

        蔡景禮

        ( 黑龍江省八五六農(nóng)場水務(wù)局,黑龍江 虎林158418)

        1 工程概況

        鷹盤山水庫位于五常市山河屯林業(yè)局境內(nèi),地理坐標(biāo)為N44°28'45″,E127°48'50″,是一座以農(nóng)田灌溉為主,兼顧抗旱水源、養(yǎng)魚、防洪等綜合利用的小(1) 型水庫。水庫主要建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為:10 a一遇洪水設(shè)計,50 a一遇洪水校核[1]。

        2 大壩工程質(zhì)量

        土壩為黏土均質(zhì)壩,土壩全長800 m,壩頂高程在288.00 ~289.86 m,東側(cè)壩肩處稍低,高程為288.00,壩頂寬度5.0 ~6.0 m,最大壩高5.09 m,上游邊坡坡比為1∶1.6 ~1∶2.5,下游邊坡坡比為1∶1.3~1∶2.3,壩后無排水設(shè)施。土壩迎水坡水位變化區(qū)護(hù)坡破壞嚴(yán)重,塊石粒徑較小,雜草叢生; 壩后無護(hù)坡,雜草叢生,壩體下游側(cè)出現(xiàn)多處寬約5 ~10 cm的縱向沉陷裂縫。

        3 壩頂高程復(fù)核

        3.1 壩頂高程

        壩頂高程由設(shè)計洪水位加超高與校核洪水位加超高比較后取最大值確定,依據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,要有3 種情況應(yīng)修正。

        3.2 壩頂超高計算

        按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[2]( SL274—2001)的規(guī)定,壩頂在水庫靜水位以上的超高由下式確定:

        式中: Y 為壩頂超高,m; R 最大波浪在壩坡上的爬高,m; e 為最大風(fēng)壅水面高度,m; A 為安全加高,對于Ⅳ等4 級的土壩,設(shè)計情況為0.5 m,校核情況為0.3 m。

        3.3 波浪要素計算

        水庫風(fēng)浪要素按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》( SL274—2001) 的要求確定,波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田實驗站公式計算,計算公式如下:

        式中: hm為平均波高,m; Tm為平均波周期,s; W 為計算風(fēng)速,m/s; D 為風(fēng)區(qū)長度,m; Hm為水域平均水深,m; g 為重力加速度,m/s2; Lm平均波長,m; H 為壩迎水面前水深,m。

        3.4 波浪爬高

        波浪爬高按下式計算:

        式中: K△為斜坡的糙率滲透性系數(shù); KW為經(jīng)驗系數(shù),與無維量有關(guān); m 為單坡的坡度系數(shù)。

        3.5 風(fēng)壅水面高度

        風(fēng)壅水面高度按下式計算:

        式中: K 為綜合摩阻系數(shù),K =3.6 ×10-6; W 為計算風(fēng)速,m/s; D 為風(fēng)區(qū)長度,m; Hm為水域的平均水深,m; β 為計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角。經(jīng)計算,壩頂高程應(yīng)為289.85 m。土壩現(xiàn)狀頂高程為288.00 ~289.86 m,現(xiàn)狀壩頂高程不滿足要求。

        4 大壩結(jié)構(gòu)安全

        4.1 計算工況選取

        本次設(shè)計分別計算蓄水的各個時期不同荷載下土壩穩(wěn)定性,共計算以下3 種工況: ①設(shè)計洪水位期的下游壩坡;②校核洪水位期的下游壩坡; ③水庫水位為1/3 壩高水位時的上游壩坡。

        4.2 計算方法

        壩坡抗滑穩(wěn)定計算采用剛體極限平衡法,對于均質(zhì)壩采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法,計算公式如下:

        式中: b 為土條寬度,m; W 為土條重量,m; Q、V 為分別為水平和垂直地震慣性力( 向上為負(fù),向下為正) ; Z 為壩坡外水位高出條塊底面中心點的距離;u 為作用于土條底面的孔隙壓力; α 為條塊重力線與通過此條塊底面中心的半徑之間的夾角,度; c'、φ'為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo); M 為水平地震慣性力對圓心的力矩; R 為圓弧半徑。

        4.3 計算斷面選取

        根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗成果,結(jié)合地形條件、土壩高度和填筑材料等,選取最大壩高斷面進(jìn)行穩(wěn)定計算。壩體和壩基土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)設(shè)計值根據(jù)工程地質(zhì)勘察和土工試驗成果選取,計算采用指標(biāo)見表1。

        表1 壩體材料物理力學(xué)指標(biāo)表

        采用理正軟件程序計算,上游邊坡坡比1∶2.0,下游邊坡坡比1∶2.5,對各種工況進(jìn)行穩(wěn)定計算。按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》( SL274—2001) 規(guī)定: 壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù):對于4 級壩,在正常運(yùn)用條件下,≥1.15,在非常運(yùn)用條件Ⅰ下,≥1.05。典型斷面穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

        表2 壩體穩(wěn)定計算成果表

        計算結(jié)果表明,土壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù),抗滑穩(wěn)定滿足要求。

        5 滲流安全

        5.1 工況及斷面選取

        參照《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計導(dǎo)則》( SL189—96)[3],滲流計算水位組合情況為: 上游正常蓄水位與下游不利水位。

        計算斷面及滲透系數(shù)選取,根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗成果,壩體滲流計算選取最大剖面,土壩的滲透系數(shù)見表3。壩基滲流計算采用雙層地基結(jié)構(gòu)。

        表3 滲透系數(shù)設(shè)計參數(shù)表

        5.2 壩體滲流計算方法及成果

        1) 滲流量及出逸點高度計算: 根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》( GB50286—98)[4]采用不透水地基滲流

        計算:

        式中: q 為單位寬度滲流量,m3/s·m; k 為堤身滲透系數(shù),m/s; H1為上游水位,m,取1.64m; H2為下游水位,m,取0m; h0為下游出逸點高度,m; m1為上游坡坡率,取1.6; m2為下游坡坡率,取1.5。

        2) 浸潤線方程按下式計算:

        3) 背水坡滲流出口比降按下式計算

        滲出點A 點:

        堤坡與不水面交點B 點:

        式中: J0為下游無水背水坡出口比降;滲流計算成果見表4。

        表4 滲流計算成果表

        4) 壩坡抗沖刷破壞的臨界比降計算

        式中: γ'為土的浮密度,取9.02kN/m3; γw為水的密度,9.8kN/m3; γ 為土的濕密度,18.82kN/m3; φ 為土的水下內(nèi)摩擦角,取17.5°; β 為壩坡的坡角,取37.6°; c 為土的凝聚力,為22 kPa; K 為安全系數(shù),取1.5。經(jīng)計算得: [Jc]=0.82

        壩體滲流出口比降小于臨界比降,壩坡滿足滲流穩(wěn)定要求。

        5.3 壩基滲流計算方法及成果

        根據(jù)地質(zhì)資料,壩基為雙層地基結(jié)構(gòu),表層土透水性較弱,下部透水性較強(qiáng),且兩層滲透系數(shù)相差較大,比值大于100,根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》( GB50286—98) 采用雙層地基滲流計算:

        式中: A 為越流系數(shù); L 為臨水側(cè)等效長度,m; h 為CD 段弱透水層底板承壓水頭,m; H 為上、下游水位差,取1.64m; k0為強(qiáng)透水堤基滲透系數(shù),k =0.3 cm/s; k1為弱透水堤基滲透系數(shù),k =4.0 ×10-6cm/s; T0為強(qiáng)透水堤基層厚度,4.2 m; T1為弱透水堤基層厚度,3.0 m。

        強(qiáng)透水堤基滲透系數(shù)0.3 cm/s,弱透水堤基滲透系數(shù)滲透系數(shù)為4.0 ×10-6cm/s。計算得表層土在壩下游坡腳點的出逸比降為0.530,小于黏土允許出逸比降0.616,壩基滲透穩(wěn)定。

        6 結(jié) 論

        通過滲流計算,壩坡出逸比降小于允許滲透比降,壩體滿足滲透穩(wěn)定要求。壩基為雙層地基結(jié)構(gòu),表層為低液限黏土,下層為粗砂,通過對壩基的滲流穩(wěn)定計算,得出下游壩基表面的出逸比降小于表層土的允許滲透比降,壩基滿足滲透穩(wěn)定要求。土壩經(jīng)加高后才能更好的發(fā)揮主體工程效益,建議早日對鷹盤山水庫進(jìn)行除險加固。

        [1]黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院. 五常市鷹盤山水庫大壩安全分析評價報告書[R]. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院,2011.

        [2]黃河水利委員會勘測設(shè)計研究院.SL274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國水利水電出版社,2001.

        [3]中華人民共和國水利部.SL189—96 小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計導(dǎo)則[S]. 北京:中華人民共和國水利部,1996.

        [4]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.GB50286—98 堤防設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國水利水電出版社,1998.

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