辛子龍

( 黑龍江省八五一一農(nóng)場(chǎng)水務(wù)局，黑龍江 密山158307)

1 工程概況

長山水庫位于穆棱河左岸的主要一級(jí)支流哈達(dá)河上，距長山村約220 m，距雞東縣城30 km，地理坐標(biāo)E131°12'，N45°22'。

水庫控制流域面積15.7 km2，水庫上游為低山區(qū)，主要為耕地及林地，植被不好，水土流失較嚴(yán)重，水庫壩址下游長山村以南為哈達(dá)河沖積平原，總的地勢(shì)起伏不大。

水庫校核洪水位206.44 m，相應(yīng)庫容為65.51 ×104m3，設(shè)計(jì)洪水位205.74 m，相應(yīng)庫容44.72 ×104m3，死水位203.85 m，相應(yīng)庫容8.49 ×104m3，是一座以灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚的小(2) 型水庫［1］。

水庫始建于20 世紀(jì)70年代，由長山村組織村民修建，是采用車?yán)缣舻姆绞绞┕ぃ瑹o勘察設(shè)計(jì)資料。

2 大壩工程質(zhì)量

長山水庫壩型為黏土均質(zhì)壩，土壩全長290 m，壩頂高程在208.82 ～207.06 m，東側(cè)壩肩處稍低，高程為206.75 m，壩頂寬度5 ～6 m，最大壩高7.43 m，上游邊坡比1 ∶2.5 ～1 ∶2.7，下游邊坡比1 ∶1.3 ～1∶1.5，上下游邊坡均無護(hù)坡，壩后無排水設(shè)施。

3 壩頂高程復(fù)核

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

式中: Y 為壩頂超高，m; R 為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(duì)于Ⅳ等4 級(jí)的土壩，設(shè)計(jì)情況為0.5 m，校核情況為0.3 m。

水庫風(fēng)浪要素按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL274—2001) 的要求確定，波浪的平均波高、平均波周期及平均波長按莆田實(shí)驗(yàn)站公式計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，壩頂高程應(yīng)為207.00 m。土壩現(xiàn)狀頂高程為208.82 ～207.06 m，現(xiàn)狀壩頂高程滿足要求。

4 大壩結(jié)構(gòu)安全

4.1 計(jì)算工況選取

本次設(shè)計(jì)分別計(jì)算蓄水的各個(gè)時(shí)期不同荷載下土壩穩(wěn)定性，共計(jì)算以下3 種工況:

1) 設(shè)計(jì)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(shí)的上游壩坡。

4.2 計(jì)算方法

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

式中: b 為土條寬度，m; W 為土條重量，m; V 為垂直地震慣性力( 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(diǎn)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); Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩; R 為圓弧半徑。

4.3 計(jì)算斷面選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘探和土工試驗(yàn)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1 +200斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

土壩和壩基土體物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)值根據(jù)工程地質(zhì)勘察和土工試驗(yàn)成果選取，計(jì)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(jì)算，上游坡比為1∶2.5，下游坡比為1∶1.5，對(duì)各種工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算成果見表2。

按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》( SL274—2001) 規(guī)定:壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù): 對(duì)于4 級(jí)壩，在正常運(yùn)用條件下，應(yīng)≥1.15，在非常運(yùn)用條件Ⅰ下，應(yīng)≥1.05。典型斷面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。

計(jì)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。

表2 壩體穩(wěn)定計(jì)算成果表

5 滲流安全

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

5.1 計(jì)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(yàn)成果，壩體滲流計(jì)算選取最大剖面，土壩的滲透系數(shù)見表3。

表3 滲透系數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)表 cm/s

5.2 壩體滲流計(jì)算方法及成果

壩體滲流計(jì)算包括滲流量及出逸點(diǎn)高度計(jì)算，臨界比降計(jì)算。

5.2.1 滲流量及出逸點(diǎn)高度計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50286—98) 采用不透水地基滲流計(jì)算，滲流計(jì)算成果見表4。

表4 滲流計(jì)算成果表

5.2.2 臨界比降

對(duì)于黏土，壩坡出口允許滲流坡降規(guī)定為: ［Jc］≥0.6 。壩體滲流出口比降小于允許臨界比降，壩體滿足滲流穩(wěn)定要求。

5.3 壩基滲流計(jì)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)較大，比值＞100，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50286—98)［4］采用雙層地基滲流計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1，計(jì)算公式為:

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，m; k0為強(qiáng)透水堤基滲透系數(shù)，k =5 ×10－3cm/s;k1為弱透水堤基滲透系數(shù)，k =7.45 ×10－6cm/s; T 0為強(qiáng)透水堤基層厚度，0.4 m; T1為弱透水堤基層厚度，0.4 m。

圖1 雙層地基滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖

當(dāng)下游滲透出逸比降符合下式時(shí)，應(yīng)設(shè)置排水蓋重層或排水減壓溝、井。

式中: h 為根據(jù)滲流計(jì)算求得的表層弱透水層承壓水頭; Gs 為表層土的土粒比重，取2.70; n1為表層土的孔隙率，取39%; K 為安全系數(shù)，取1.5; T1為弱透水層厚度，為坡腳處厚度，取0.4 m;

計(jì)算得表層土在壩下游坡腳點(diǎn)的出逸比降為2.8，大于黏土允許出逸比降0.695，壩基滲透不穩(wěn)定。應(yīng)在壩腳處設(shè)排水蓋重層。

6 結(jié) 論

根據(jù)土壩壩頂超高復(fù)核，壩頂高程達(dá)標(biāo)。根據(jù)土壩邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，水庫土壩邊坡最小安全系數(shù)大于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)。但是土壩護(hù)坡缺失不完整，易沖刷，存在安全隱患。

通過滲流計(jì)算，壩體出口比降小于允許水力比降，壩體滿足滲流穩(wěn)定要求。但是，有些壩段存在雙層地基結(jié)構(gòu)，表層為含砂低液限黏土，下層為含細(xì)粒土細(xì)礫。

通過對(duì)壩基的滲流穩(wěn)定計(jì)算，得出出逸比降大于表層土的允許比降，滲透不穩(wěn)定，需要在壩腳處加蓋重等工程措施。綜上所述，土壩經(jīng)壩基處理后仍可發(fā)揮工程效益。

［1］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 雞東縣長山水庫大壩安全鑒定報(bào)告書［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.

［2］黃河水利委員會(huì)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)總院.GB50286—98 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，1998.