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        新疆某水庫除險加固方案探討

        2020-05-07 04:53:14鄭兆江
        黑龍江水利科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:壩頂校核墊層

        鄭兆江

        (和田地區(qū)水利局,新疆 和田 848000)

        土石壩工程是現(xiàn)有國內(nèi)水庫樞紐的重要組成部分,由于其具有施工方便、造價低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)水庫建設(shè)中[1-2]。我國修建壩體工程技術(shù)現(xiàn)如今已處于國際領(lǐng)先水平。但由于過去生產(chǎn)力的低下,導致過去的水庫壩體經(jīng)多年運行后均出現(xiàn)了一定的質(zhì)量問題,水庫在長期蓄水、排水使用過程中,壩體穩(wěn)定性會發(fā)生較為明顯的變化,安全系數(shù)降低將對庫區(qū)范圍內(nèi)居民生產(chǎn)、生活以及社會穩(wěn)定造成嚴重的影響。因此對水庫出現(xiàn)加固的研究已成為了國內(nèi)研究的熱點[3-4]。。文章以新疆某水庫為例,對該工程除險加固方案進行分析。

        1 工程概況

        水庫位于我國新疆境內(nèi),水庫建于1974年,運行期長達40a,是一座以防洪、抗旱、灌溉為主,兼有養(yǎng)殖等綜合利用小(2)型水庫樞紐工程。水庫大壩為均質(zhì)土壩,壩長116.0m,壩頂高程102.02m,壩頂寬4.0m。

        2 水庫病害分析

        壩基承載力特征值為100kPa,天然容重為19.0kN/m3,干容重為14.4kN/m3,天然容重、干容重及承載能力均較低,穩(wěn)定性差,地基沉降量平均每年為3.18mm,滲透系數(shù)為為3.22×10-1cm/s,滲透系數(shù)較高,壩體存在較嚴重的滲漏問題。

        3 水庫加固方案設(shè)計與復核

        水庫正常蓄水位100.0m,相應(yīng)庫容10.26萬m3;設(shè)計洪水位101.17m,相應(yīng)庫容為20.06萬m3;校核洪水位101.55m,相應(yīng)庫容為24.26萬m3。

        對現(xiàn)壩體迎水坡進行培厚整形,死水位以上至壩頂進行干砌石護坡,其結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)為0.30m塊石護坡,下設(shè)0.20m碎石墊層,底部鋪0.10m砂墊層。死水位以下拋石。背水坡按坡比1∶2.5進行培厚整形,壩腳自最大浸潤高度加安全超高設(shè)置3.0m貼坡排水,排水體頂高程100.0m,排水體底部高程隨坡就勢。壩頂高程102.30m,頂寬仍維持現(xiàn)狀4.0m不變,鋪設(shè)20cm厚砂石路面。兩側(cè)壩肩采用花崗巖路緣石布置[5-7]。

        3.1 壩頂高程復核

        壩頂超高按下式計算:

        Y=R+A

        (1)

        式中:Y為壩頂超高,m;R為最大波浪在壩坡上的爬高,m;A為安全超高,m。

        平均波浪爬高Rm按下式計算:

        (2)

        式中:Rm為波浪平均爬高,m;m為單坡的坡度系數(shù),2.5;K△為斜坡糙率滲透性系數(shù),0.9;KW為經(jīng)驗系數(shù);hm,Lm為波浪要素,平均波高和波長,m。

        平均波高和平均波周期按下式計算:

        (3)

        Tm=4.438hm0.5

        (4)

        (5)

        式中:hm為平均波高,m;Tm為平均波周期,s;W為計算風速,m/s,非常運用工況取多年平均最大風速13.5m/s,正常運用工況取多年平均最大風速1.5倍20.25 m/s;D為風區(qū)長度,設(shè)計水位對應(yīng)風區(qū)長度為500.0m,校核水位對應(yīng)風區(qū)長度為800.0m;Hm為水域平均水深,m;g為重力加速度,9.81m/s。Lm為平均波長,m;Tm為平均波周期,s;H為壩迎水面前水深。

        壩體高程復核情況見表1。

        表1 壩頂高程復核 m

        根據(jù)復核后壩頂及防滲體頂高程計算成果表及《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL189-2013)壩體結(jié)構(gòu)要求:

        現(xiàn)狀壩頂高程102.10m,小于本次復核壩頂高程102.25m(設(shè)計水位)及102.19m(校核水位),不滿足規(guī)范要求。因此大壩需整加厚形后便可以鋪設(shè)砂石路面20cm,同時在壩肩設(shè)置花崗巖路緣石。

        3.2 壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

        根據(jù)歷年最大風速和風向,選擇風向與壩軸線成一定角度的多年風速資料進行分析,得出平均最大風速為13.5m/s。

        水庫大壩為均質(zhì)土壩,大壩全長116.0m,最大壩高5.75m,大壩頂高程102.50m,壩頂寬4.0m。

        采用瑞典圓弧法,計算安全系數(shù):

        (6)

        式中:W為土條重量;μ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點的半徑之間的夾角;b為土條寬度;c′φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強度指標。

        邊坡穩(wěn)定計算典型斷面取最大壩高處。成果見圖1和表2。從表中可以看出,大壩在實際抵御洪水標準下各工況均滿足大壩最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

        圖1 計算簡圖

        表2 邊坡穩(wěn)定計算成果表

        續(xù)表2 邊坡穩(wěn)定計算成果表

        3.3 壩體滲流分析

        1)滲流穩(wěn)定分析計算:

        壩體滲流分析使用北京理正軟件提供的滲流分析計算功能進行計算,計算采用公式法。其計算結(jié)果見表3。

        圖2 有限深透水地基上的坡面

        計算工況水位/m上游下游單寬滲流量/m3·(day·m)-1逸出點高程/m正常蓄水位100.097.50.016復核后設(shè)計水位101.1497.50.034復核后校核水位101.5597.50.038壩基占92%左右97.7598.1898.31

        2)后貼坡排水控制高程與結(jié)構(gòu)分析確定:

        按壩后浸潤線最高溢出點高程(校核洪水情況)計算:

        H貼坡頂=H浸潤線+h超高=98.31+1.50=99.81(m)。

        考慮上面計算結(jié)果,結(jié)合工程實際,西大橋水庫壩后貼坡排水控制頂高程設(shè)計選為100.0m。

        3.4 大壩工程加固結(jié)構(gòu)設(shè)計

        1)大壩局部整形:

        對現(xiàn)壩體迎水坡進行培厚整形,死水位以上至壩頂進行干砌石護坡,其結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)為0.30m塊石護坡,下設(shè)0.20m碎石墊層,底部鋪0.10m砂墊層。死水位以下拋石[8-10]。

        2)背水面貼坡排水:

        在背水坡壩腳處設(shè)置貼坡排水,貼坡排水控制高程為100.0m,其結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)依次是30cm厚塊石層,20cm厚碎石層及10cm厚砂墊層。

        3)壩壩頂設(shè)計:

        大壩壩頂鋪設(shè)20cm厚砂石路面,并在兩壩肩設(shè)置花崗巖路緣石。花崗巖規(guī)格為40cm×15cm×99cm。

        4 結(jié) 語

        水庫由于運行時間過長,導致壩體穩(wěn)定性較差,同時滲透系數(shù)較高,通過文章方案的除險加固之后,可進一步提高壩體穩(wěn)定性,降低滲透系數(shù)和滲流量,水庫經(jīng)除險加固后可放心投入使用。

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