李 棟

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

我國部分水庫大壩修建于20個世紀50年代，年久失修，繼續(xù)養(yǎng)護維護。吉林省某水庫大壩壩頂高低不平；上游壩坡干砌塊石護坡風化破損，壩面多處沉陷，凹凸不平，雜草叢生；大壩右側部分壩坡無干砌塊石護坡。壩體土黏粒含量、壓實度不滿足相關規(guī)范要求，該水庫大壩安全技術認定中防洪安全性為C級，壩體滲流安全性為C級，結構穩(wěn)定安全性為B級。大壩安全認定專家組認為，鑒于大壩目前存在的問題，將大壩安全類別定為三類壩，因此亟需對其進行穩(wěn)定復核與加固設計。

1 水工建筑物設計

1.1 工程等級和設計標準

依據原有設施的設計規(guī)模，經根據SL252- 2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》的規(guī)定復核，規(guī)模為小(2)型，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物擋水壩、抽水涵管、放水涵管級別為5級，次要建筑物、臨時建筑物為5級。洪水標準按30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核[1]。

1.2 壩頂高程計算

按SL252- 2000和SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》要求，壩頂超高由設計波浪爬高、設計風壅水面高度和安全加高值組成，見表1。壩頂超高按下列公式計算：

Y=R+e+A

(1)

式中，Y—堤頂超高，m；R—設計波浪爬高，m；e—設計風壅水面高度，m；A—安全加高值，m。

表1壩頂超高計算成果表(正常蓄水位工況下) 單位：m

項目設計波浪爬高設計風雍水面高度安全加高壩頂超高數值0.180.00030.50.68

根據計算成果，選取堤防的堤頂超高數值為0.68m，取壩頂高程為408.0m。

1.3 護坡厚度計算

對重建護坡進行計算，按SL274- 2001的有關公式計算(塊石在最大局部波壓下所需的換算直徑、質量、平均粒徑、平均質量和護坡厚度)[2- 4]：

(2)

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(3)

(4)

式中，D—石塊換算成球形的直徑，m；D50—石塊的平均粒徑，m；Q—石塊的質量，t；Q50—石塊的平均質量，t。

經計算，大壩護坡所需要護坡厚度為0.32m。

1.4 抗滑計算

根據SL274- 2001，圓弧滑動穩(wěn)定可按如下公式計算。

(1)瑞典條分法

K= ∑{[(W±V)cosα-ubsecα-Qsinα]tanφ′+

c′bseaα}/∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(5)

表2 壩體抗滑穩(wěn)定計算成果

(2)簡化畢肖普法

K= ∑{[(W±V)seaα-ubsecα]tanφ′+c′bseaα}[1/(1+tanαtanφ′/K)]/ ∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(6)

根據SL274- 2001規(guī)定，并結合壩體的具體情況，計算分析水庫穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定情況，見表2。

經過計算，可以確定土石壩抗滑穩(wěn)定計算滿足規(guī)范要求[5]。

2 壩體滲流穩(wěn)定計算分析

本次計算采用GTS NX有限元軟件對壩體施工階段滲流分析與滿水位驟降時的壩坡穩(wěn)定性分析。本次計算按照邊界條件同時給予時間變化的瞬態(tài)流分析。由于實際施工與運行中土石壩內部土體是非飽和狀態(tài)，這時根據含水率和孔隙率，滲流達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)的時間上有很大差異，因此需要對其進行瞬態(tài)滲流分析[6- 8]。

非穩(wěn)態(tài)下滲流計算表示為：

式中，Q—土單位體積上單位時間內的釋水量；Θ—體積含水率。

對壩體進行建模分析，簡化后壩體典型斷面有限元網格剖分如圖1所示。

圖1 簡化后大壩斷面有限元網格剖分圖

如圖2～4所示水位發(fā)生驟降，但可以確認壩體上部的全水頭約維持在16m。這是因為與巖土內滲流速度相比外部水位下降速度相對快的原因。在水位驟降以后將發(fā)生堤外側上的向下流動。為了確?；跐B流的壩體穩(wěn)定性，一般核心部分利用透水性非常低的材料，所以在水位驟降以后壩體的堤外側可能會變得不穩(wěn)定。

滲透主要發(fā)生在壩體上游處，滲透量較小，不會影響壩體安全。沿壩體上游至下游方向，滲透量逐漸減小，且不存在繞壩滲流的情況[9]。

由滲流-應力耦合分析結果，初期滿水位時，因堤外側地表面上作用的靜水壓劇減，隨著時間變化堤外側上集中了更多的變形。圖2～4所示結果是最終階段上壩坡的水平位移和剪切變形結果，可以看出應力集中區(qū)主要位于心墻處[10]。

圖2 水位下降6m，大壩滲流分布圖

圖3 校核水位下壩體滲流分布圖

圖4 大壩應力分布圖

3 加固處理

3.1 護坡加固處理

根據實地勘測，大壩護坡損毀較為嚴重，需要對其進行修復加固處理。本次加固采用漿砌塊石護坡形式。拆除現狀大壩干砌塊石護坡，將坡面整平后，鋪設反濾墊層(自下而上)中粗砂5cm，15～20mm粒徑碎石厚8cm，20～30mm粒徑碎石厚100cm；墊層表面鋪設漿砌塊石護坡，護坡厚0.5m，護坡坡面設φ0.05m排水孔，孔距5m，梅花形布置。將原護坡滿足要求的部分塊石加以利用。

方案1：漿砌塊石護坡厚度的計算公式同上文，漿砌塊石密度取2.5t/m3。采用SL274- 2001的有關公式計算：

(8)

式中，Lm—平均波長；hp—累計頻率為1%的波高；b—沿壩坡坡向板長，m；ρc—板的密度，t/m3。

經計算得，大壩護坡厚度為0.17m。

3.2 防滲處理

采用套井回填+水泥防滲灌漿對大壩進行防滲綜合處理。套井回填黏土防滲墻即利用沖抓式打井機具，在土壩上造井，用黏土料分層回填夯實，形成一連續(xù)的套接黏土防滲墻，截斷滲流通道，起到防滲的作用。

根據地質勘查成果，壩體土主要為含砂粉質黏土，填筑質量較差，現場注水試驗滲透系數K=2.17×10-4～2.41×10-3cm/s，屬中等透水性。因此，本次設計初步考慮單排套井回填黏土防滲墻處理。

防滲墻要求有效厚度計算如下：

T≥△H/J

(9)

式中，T—計算防滲墻要求有效厚度，m；H—防滲墻承擔的最大水頭，根據滲流計算結果：△H=2.1m；J—防滲墻允許滲透比降，本次設計取J=10。則防滲墻要求有效厚度T≥2.1/10=0.21m。

本次設計1.1m沖抓鉆機成孔，孔距0.8m，理論有效厚度0.75m>0.21m。因此本次設計采用單排套井，孔徑1.1m，孔距0.8m。

因此本次設計暫考慮大壩左岸坡段采用水泥防滲灌漿，沿壩軸線總長約104m。左岸坡段(壩0+081.00延伸至左岸山體側)防滲底部深入相對不透水層(≤10Lu)5m。實際施工時，對灌漿的先導孔應進行簡易壓水試驗。

4 結語

本文某土石壩進行加固設計與有限元復核研究，根據相關規(guī)范，并結合工程實際確定了治理工程的范圍，計算得到壩體安全超高，與護坡厚度，抗滑系數均滿足規(guī)范要求。

采用GTS有限元計算軟件建模分析了壩體滲流狀態(tài)與應力分布，滲透主要發(fā)生在壩體上游處，滲透量較小，不會影響壩體安全。沿壩體上游至下游方向，滲透量逐漸減小，且不存在繞壩滲流的情況。由滲流-應力耦合分析結果，初期滿水位時，因堤外側地表面上作用的靜水壓劇減，隨著時間變化堤外側上集中了更多的變形。應力集中區(qū)主要位于心墻處。算結果表明滲流量較小，應力集中區(qū)位于心墻處。最后對該水庫提出了加固處理措施，大壩護坡厚度為0.17m。