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        龍灣水庫土壩滲流及穩(wěn)定性分析

        2018-04-13 08:51:30
        中國水能及電氣化 2018年3期
        關(guān)鍵詞:主壩壩坡歷時

        (北票市龍?zhí)端畮旃芾硖?,遼寧 北票 122124)

        1 概 述

        土石壩是運(yùn)用最廣泛的一種壩型,具有造價低、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)能力強(qiáng)、抗震性能好、施工簡便等特點(diǎn)。我國的土石壩多修建于上世紀(jì)五六十年代,很多未經(jīng)專門勘察和設(shè)計(jì),加之多采用人挑肩扛、人工碾壓等施工方式,大壩填筑質(zhì)量往往不能滿足要求,經(jīng)過幾十年的運(yùn)行,還存在無人管理或管理不當(dāng)?shù)葐栴},造成很多水庫成為病險水庫。根據(jù)對國內(nèi)外土石壩失事案例的統(tǒng)計(jì),約45%左右的土石壩失事是由滲流破壞造成的[1-5]。因此,在土石壩設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理過程中,如何進(jìn)行滲流計(jì)算及采取何種防滲措施至關(guān)重要。本文以遼寧省黑山縣龍灣水庫為例,采用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊,對大壩穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流場及正常運(yùn)行期、水位驟降期的大壩穩(wěn)定性,進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,其結(jié)果為該水庫安全運(yùn)行提供了可靠依據(jù),也為類似土石壩滲流和穩(wěn)定計(jì)算提供了有益參考。

        2 水庫概況及數(shù)值模型

        2.1 水庫概況

        龍灣水庫位于黑山縣龍灣屯,屬饒陽河水系東沙河西支流,大壩以上河段長約44km,流域面積約320km2。水庫由1座主壩和4座副壩組成,均為均質(zhì)土壩,主壩全長724m,壩高18.60m,防浪墻頂高程58.60m;1副壩長632m,2副壩長807m,3副壩長1340m,4副壩長466m,副壩高6.50~10.60m;該水庫是一座以防洪灌溉為主、兼顧養(yǎng)魚等功能的中型水庫。

        2.2 數(shù)值模型

        2.2.1計(jì)算模型

        龍灣水庫壩體均為均質(zhì)土壩,此次選取壩高較高的主壩中的0+550典型斷面(斷面壩高 16.8m,壩頂寬6m,上游坡坡比為 1∶3,下游坡坡比為 1∶2.5)進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性研究,因主壩壩基為弱透水的風(fēng)化巖,故此次模擬時不考慮壩基的滲透和穩(wěn)定情況,因此,以迎水坡坡腳作為坐標(biāo)原點(diǎn),斷面向下游方向?yàn)閄軸正向,斷面向壩頂?shù)你U直方向?yàn)閆軸正向,建立了0+550典型斷面的計(jì)算模型,并采用四邊形單元進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分(見圖1)。上游水頭為第一類邊界,地基為第二類邊界,浸潤線為自由表面邊界,逸出點(diǎn)結(jié)合排水形式按自由邊界處理。

        2.2.2計(jì)算參數(shù)及工況

        根據(jù)壩體土試驗(yàn)數(shù)據(jù),用于數(shù)值計(jì)算的莫爾-庫侖模型的相關(guān)參數(shù)見表1。

        表1 壩體土計(jì)算參數(shù)

        根據(jù)水庫運(yùn)行情況的分析結(jié)果,此次模擬共選取兩種不同的工況,分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。工況一:正常運(yùn)行期上游水位為13.50m;工況二:非穩(wěn)定滲流場時,上游水位自初始時的 13.50m驟降到3.50m,水位下降速度分別為1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d。

        3 滲流模擬結(jié)果及分析

        3.1 正常運(yùn)行時

        正常運(yùn)行時,通過數(shù)值模擬計(jì)算主壩滲流場流線及浸潤線、壓力梯度及滲流量(見圖2)。

        圖2 正常運(yùn)行時大壩滲流計(jì)算結(jié)果

        由圖2可知,正常運(yùn)行時大壩滲流流場和浸潤線分布較為均勻,滲流符合一般均質(zhì)土壩的滲流流場分布規(guī)律,未見滲流異常,壩體內(nèi)的最大水平滲透坡降為0.45,小于壩體允許水平滲透坡降,產(chǎn)生滲透破壞的可能性不大,浸潤線在壩體坡腳排水體內(nèi)出逸,壩坡出逸滲透坡降大于允許滲透坡降,易產(chǎn)生局部滲透破壞。大壩總體滲漏量偏大,穩(wěn)定滲流時該斷面的滲流量為 8.99×10-2m3/d,對大壩滲流穩(wěn)定性有一定的影響,會造成壩體土流失,若形成滲漏通道將危及大壩安全。

        3.2 水位驟降時

        通過數(shù)值模擬計(jì)算,水位驟降時主壩上游水位自初始時的 13.50m驟降到3.50m,水位下降速度分別為1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d,歷時分別為0d、1d、5d、10d、30d、50d、100d、300d和600d,計(jì)算結(jié)果見圖3。

        圖3 水位驟降時大壩自由面變化情況

        由圖3可知,水位驟降時,當(dāng)庫水位下降速度為1.00m/d時,壩體內(nèi)水的自由面在歷時較短時變化劇烈,與上游壩坡近平行,后再向壩內(nèi)偏移,并逐漸穩(wěn)定,壩體內(nèi)的水來不及排泄,會出現(xiàn)“倒流”現(xiàn)象,不利于上游壩坡穩(wěn)定;當(dāng)庫水位下降速度為0.10m/d時,壩體內(nèi)水的自由面在歷時較短時變化平緩,后逐漸趨于穩(wěn)定,“倒流”現(xiàn)象不明顯。無論何種下降速度,在歷時較長時,自由面變化基本一致。

        4 壩體穩(wěn)定模擬結(jié)果及分析

        4.1 正常運(yùn)行時

        正常運(yùn)行時,通過數(shù)值模擬計(jì)算主壩下游坡和上游坡穩(wěn)定情況(見圖4)。

        圖4 正常運(yùn)行時大壩最危險滑動面及其圓心位置

        由圖4可知,正常運(yùn)行時大壩下游坡的最危險滑動面及圓心位于坡腳以上,下游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.48,上游坡的最危險滑動面及圓心也位于坡腳以上,上游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.53,均大于壩體允許穩(wěn)定安全系數(shù),因此,上、下游壩坡發(fā)生滑動破壞的可能性不大,大壩是安全的。

        4.2 水位驟降時

        通過數(shù)值模擬計(jì)算,水位驟降時主壩上游水位自初始時的 13.50m驟降到3.50m,水位下降速度分別為1.00m/d、0.50m/d、0.10m/d,歷時分別為1d、5d、50d和600d,由于計(jì)算圖件較多,此次僅將下降速度為1.00m/d時的計(jì)算結(jié)果作圖(見圖5),將全部計(jì)算結(jié)果列表(見表2)。

        表2 不同水位下降速度和歷時的大壩上游坡安全系數(shù)

        圖5 水位下降時大壩上游坡最危險滑動面及其圓心位置

        由圖5和表2可知,隨著庫水位下降,上游坡安全系數(shù)是逐漸下降的。歷時為1d、5d時,水位下降速度越小,安全系數(shù)越大;歷時為600d時,水位下降速度越大,安全系數(shù)越小。水位下降速度為1.00m/d、0.50m/d時,歷時5d時的安全系數(shù)最小;水位下降速度為0.10m/d時,歷時50d時的安全系數(shù)最小;可見隨著下降速度的變小,上游坡的安全系數(shù)在一定歷時范圍內(nèi),隨時間有后移的趨勢,但歷時600d時安全系數(shù)變大,下降速度大時為同一下降速度時的最大值。不同水位下降速度,水位剛開始下降時,滑弧的形狀、位置和深度變化不大,下降速度較大時,易發(fā)生深層滑動。

        5 結(jié) 論

        采用GEO-SLOPE軟件中SLOPE/W模塊,對大壩穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流場及正常運(yùn)行期、水位驟降期的大壩穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明:正常運(yùn)行時壩體內(nèi)的最大水平滲透坡降為0.45,小于壩體允許水平滲透坡降,產(chǎn)生滲透破壞的可能性不大,浸潤線在壩體坡腳排水體內(nèi)出逸,壩坡出逸滲透坡降大于允許滲透坡降,斷面的滲流量為 8.99×10-2m3/d;當(dāng)庫水位下降速度為1.00m/d時,自由面在歷時較短時變化劇烈,與上游壩坡近平行,壩體內(nèi)的水來不及排泄,會出現(xiàn)“倒流”現(xiàn)象,當(dāng)庫水位下降速度為0.10m/d時,自由面在歷時較短時變化平緩,后逐漸趨于穩(wěn)定,在歷時較長時,自由面變化基本一致;正常運(yùn)行時下游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.48,上游坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.53;隨著庫水位下降,上游坡安全系數(shù)是逐漸下降的,隨著下降速度的變小,上游坡的安全系數(shù)在一定歷時范圍內(nèi),隨時間有后移的趨勢,但歷時600d時安全系數(shù)變大,下降速度大時為同一下降速度時的最大值,不同水位下降速度,水位剛開始下降時,滑弧的形狀、位置和深度變化不大,下降速度較大時,易發(fā)生深層滑動。

        [1]高超.任莊水庫大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析[J].中國水能及電氣化,2016(9):67-70.

        [2]賈慧鵬.張峰水庫大壩滲透系數(shù)反演計(jì)算[J].中國水能及電氣化,2016(2):62-66.

        [3]劉娟奇,王志強(qiáng),梁收運(yùn).庫水位下降對新集水庫均質(zhì)土壩滲流及穩(wěn)定性影響分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2014,12(6):38-43.

        [4]周艷,王朝江,王立群,等.喀麥隆曼維萊水電站攔河壩滲流穩(wěn)定分析計(jì)算[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2017,36(3):38-40.

        [5]趙明輝,彭清娥,湯雷.某土石壩滲流及穩(wěn)定分析研究[J].西北水電,2017(1):30-34.

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