馮 宵，盧 敏，王淑文，王良澤南，孟志元

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

0 引言

目前，我國已建水庫8.7萬余座［1］，大壩大多以土石壩為主，土石壩占我國大壩總數(shù)的83%［2］。滲流對土石壩影響非常不利，當(dāng)滲透流速或滲透坡降高于某一固定界限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致壩體或壩基土體變形。國內(nèi)外土石壩失事大多是由于滲流破壞產(chǎn)生的［3］。如1976年美國提堂壩就是因?yàn)閴误w右岸的窄斷層發(fā)生滲透破壞，導(dǎo)致大壩在短時(shí)間內(nèi)跨壩［4］。此外，壩坡穩(wěn)定是影響土石壩安全的另一個(gè)重要因素。1989年我國云南省漫灣水電站壩肩在開挖時(shí)發(fā)生了滑坡事件，財(cái)產(chǎn)損失近億元［5］。

目前，我國正對多年運(yùn)行的水庫進(jìn)行大規(guī)模除險(xiǎn)加固。為防止病險(xiǎn)水庫潰壩［6］，在對土石壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理的同時(shí)，需對除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行壩體的滲流穩(wěn)定復(fù)核，以保證壩體的安全。因此，加強(qiáng)對土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定性分析，在土石壩的除險(xiǎn)加固中顯得尤為重要。本文采用GeoStudio軟件，對某水庫水石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行滲流穩(wěn)定復(fù)核。

1 計(jì)算原理

1.1 SEEP/W模塊

SEEP/W模塊是GeoStudio［7］分析軟件的八大模塊之一。在SEEP/W軟件中，通過滲流有限元［8］計(jì)算，分析壩坡在不均勻飽和條件與非飽和條件下的孔隙水壓力，也可分析壩坡穩(wěn)定時(shí)瞬態(tài)孔隙水壓力。通過瞬態(tài)分析，可以得到不同時(shí)刻、不同點(diǎn)的孔隙水壓力分布狀況。通過分析孔隙水壓力隨時(shí)間變化的結(jié)果，研究壩坡、路堤穩(wěn)定性與時(shí)間的關(guān)系。本文針對水庫的實(shí)際情況，以達(dá)西定律為依據(jù)，采用SEEP/W軟件對大壩各工況(校核水位工況、設(shè)計(jì)洪水位工況、正常水位工況和死水位工況)進(jìn)行滲流分析，求得各工況下的單寬滲流量，并得到浸潤線。滲流分析結(jié)果直接應(yīng)用于壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算中。

1.2 SLOPE/W模塊

SLOPE/W也是GeoStudio中的一個(gè)模塊。SLOPE/W能分析一系列較復(fù)雜的問題，包括在穩(wěn)定性分析中如何計(jì)算孔隙水壓力以及如何應(yīng)用有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析等，不僅能拓寬分析的可能性，還能克服極限平衡法［9］的局限性。本文在完成滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過剛體極限平衡原理，采用SLOPE/W軟件對大壩各工況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算，求得各工況下大壩上、下游壩坡的最小安全系數(shù)，分析地震響應(yīng)作用時(shí)大壩的穩(wěn)定性。

2 工程概況

水庫位于珠江流域南盤江水系巴江支流馬料河支流上。該水庫是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼顧防洪調(diào)節(jié)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小(2)型水庫。工程區(qū)的相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高18.4 m，壩頂高程1 723.4 m，壩頂長200 m，寬5.0 m。水庫控制徑流面積11.5 km2，正常蓄水位1 720.0 m，總庫容30×104 m3。根據(jù)SL 252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，本水庫屬Ⅴ等工程，主要、次要建筑物級(jí)別均為5級(jí)。按照GB 50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，即P=5%，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，即P=0.5%。

大壩安全鑒定時(shí)，對洪水進(jìn)行了復(fù)核，結(jié)論為:大壩不滿足200年一遇校核洪水及20年一遇設(shè)計(jì)洪水防洪要求。根據(jù)SL 258—2000《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》，水庫防洪安全復(fù)核鑒定屬于C級(jí)，需對水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

初擬大壩壩高18.4 m，壩頂高程為1 723.4 m，壩頂長200 m，壩頂寬4.5 m，兩邊設(shè)有混凝土路緣及防浪墻;上游壩坡分2個(gè)變坡，1 719.0 m高程到壩頂坡比為 1∶2.2，1 719.0 m高程以下坡比為1∶3.493;下游壩坡坡比為1∶2.2，1 707.36 m 高程處為排水棱體得頂部，寬1.5 m，排水棱體坡比為1∶1和1∶1.5。挖除部分原排水棱體后，回填新風(fēng)化料，以滿足大壩穩(wěn)定要求。壩體最大橫斷面見圖1。

圖1 大壩橫斷面示意

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算參數(shù)及模型建立

由于土工試驗(yàn)采取的是飽和固結(jié)快剪，指標(biāo)偏低，故建議各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)取平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。大壩壩土、壩基分區(qū)巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 壩體各區(qū)巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)

在進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量、疏密和質(zhì)量及形狀、單元階次等因素的選擇盡可能按照最優(yōu)原則劃分。單元的長寬比大致控制在1∶1～1∶2之間。建立的大壩結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖2。

圖2 大壩結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 滲流分析

建模后，用SEEP/W軟件對壩體進(jìn)行滲流分析時(shí)，首先要確定分析剖面以及斷面材料的滲透參數(shù)，壩體剖面采取河床最大斷面。在計(jì)算最大剖面滲流狀況時(shí)，分別考慮正常蓄水位、校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位和死水位4種工況。壩體滲流計(jì)算成果見表2。現(xiàn)狀大壩長200 m，從計(jì)算結(jié)果初步估算，大壩運(yùn)行期全年理論滲漏量約72 000 m3，全年滲漏量約為總庫容的1/7，滲漏量從除險(xiǎn)加固前的315 000 m3減少至72 000 m3，故除險(xiǎn)加固帷幕灌漿后水庫的滲漏量已較除險(xiǎn)加固前明顯減少，不影響水庫對受益區(qū)供水功能的正常發(fā)揮，除險(xiǎn)加固的目的得到了滿足。

3.3 穩(wěn)定分析

該工程需要考慮穩(wěn)定滲流情況下的上、下游壩坡穩(wěn)定情況和非穩(wěn)定滲流［10］情況下的上游壩坡穩(wěn)定情況。本工程只需計(jì)算對壩體穩(wěn)定最不利的工況組合。經(jīng)分析，該工程大壩穩(wěn)定計(jì)算工況組合見表3。

表2 大壩滲流計(jì)算成果

表3 大壩穩(wěn)定計(jì)算工況組合

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果及斷面材料的滲透參數(shù)，用SLOPE/W軟件對壩體的各個(gè)工況進(jìn)行穩(wěn)定分析，并采用畢肖普法［11］計(jì)算出壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)。壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。設(shè)計(jì)洪水位壩坡滑移面和設(shè)計(jì)洪水位壩坡地震作用下滑移面模擬結(jié)果分別見圖3、4。從圖3、4可知，在存在危險(xiǎn)滑移面的情況下，浸潤線下降幅度明顯，說明壩體沒有發(fā)生滲透破壞，且壩體邊坡穩(wěn)定。

表4 大壩抗滑安全系數(shù)

綜上分析，在穩(wěn)定滲流情況下，上、下游壩坡最不利工況下的除險(xiǎn)加固水庫壩體抗滑、抗震穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值，說明除險(xiǎn)加固后水庫大壩上、下游壩坡均穩(wěn)定;在非穩(wěn)定滲流情況下，上、下游壩坡在最不利工況下的除險(xiǎn)加固水庫壩體抗滑、抗震穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值，說明除險(xiǎn)加固后水庫在此情況下也是穩(wěn)定的。以上滲流穩(wěn)定復(fù)核表明，該水庫壩體除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)合理。

圖3 設(shè)計(jì)洪水位壩坡滑移面

圖4 設(shè)計(jì)洪水位壩坡地震作用下滑移面

4 結(jié)語

土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)需要進(jìn)行壩體的滲流穩(wěn)定復(fù)核。本文采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊，結(jié)合壩體材料的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行滲流分析計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果直接沿用到壩坡穩(wěn)定分析中，再通過GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊進(jìn)行壩體壩坡穩(wěn)定分析。目前，有許多土石壩正在進(jìn)行除險(xiǎn)加固，土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的滲流穩(wěn)定復(fù)核尤為重要，為水庫正常運(yùn)行提供了有效保障。GeoStudio軟件在計(jì)算除險(xiǎn)加固水庫壩體的壩坡穩(wěn)定時(shí)即準(zhǔn)確又方便，可應(yīng)用于除險(xiǎn)加固壩坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算中，為大壩安全評價(jià)提供依據(jù)。

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