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        江西九江馬頭水庫大壩壩坡穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計(jì)

        2021-04-12 02:46:52賴先華
        陜西水利 2021年1期
        關(guān)鍵詞:干砌石穩(wěn)定滲流主壩

        賴先華

        (九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江西 九江 332000)

        0 前言

        馬頭水庫位于柴桑區(qū)馬回嶺鎮(zhèn)馬頭村,距離柴桑區(qū)城區(qū)27 km,緊靠昌九高速、南潯鐵路,座落于鄱陽湖水系博陽河支流廬山河,是一座以灌溉、防洪為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖的重點(diǎn)中型水利樞紐工程,主要建筑物有主壩、1#隧洞、2#隧洞、壩下涵管及1#隧洞出口引水電站(機(jī)組已拆除)等。

        2010年4月8日,在例行的大壩巡查中,在主壩L型排水棱體上樁號(hào)0+600邊緣發(fā)現(xiàn)一個(gè)2.0×2.0 m2、深約1.2 m的塌坑,后經(jīng)觀察及回填處理,塌坑未發(fā)現(xiàn)異常;2011年5月7日,在連續(xù)的降雨過程中,水庫管理處辦公樓后方山體發(fā)現(xiàn)一處小范圍的滑坡。后經(jīng)在山體設(shè)置擋墻,險(xiǎn)情未進(jìn)一步擴(kuò)大。為確保大壩后期的運(yùn)行安全,本文針對(duì)馬頭水庫大壩壩坡展開穩(wěn)定性分析。

        1 工程現(xiàn)狀

        馬頭水庫位于柴桑區(qū)馬回嶺鎮(zhèn),距縣城27 km,座落于鄱陽湖水系博陽河支流廬山河。主壩兩岸為丘陵地形。主壩左岸為牛頭山,山頂高程164.00 m,山勢(shì)險(xiǎn)峻,山坡穩(wěn)定性差,常見滑坡、崩塌,懸崖地貌,造成主壩與山坡接觸條件差,對(duì)泄洪隧洞穩(wěn)固性有很大影響。主壩右岸是馬頭山,山頂高程130.50 m,為寬約100 m的短條形山,現(xiàn)被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民開辟為采石場(chǎng),影響庫岸穩(wěn)固。根據(jù)大壩地質(zhì)勘查、安全鑒定,馬頭水庫大壩存在以下問題:①上游坡面混凝土預(yù)制塊護(hù)坡較平整、干砌石護(hù)坡局部風(fēng)化缺失;下游干砌石護(hù)坡局部架空不完整等問題;②混凝土預(yù)制塊護(hù)坡較平整,無明顯破損、裂縫等現(xiàn)象,局部勾縫處長有雜草;干砌石護(hù)坡外觀平整,未見明顯塌陷,局部風(fēng)化缺失,塊石縫間雜草較多;③下游壩坡高程89.40 m處設(shè)一級(jí)馬道,寬3.0 m,下游坡比自上而下分別為1∶2.5、1∶2.75,均為干砌石護(hù)坡;干砌石護(hù)坡局部架空不完整;上壩臺(tái)階混凝土破損、裂縫眾多;壩腳壓浸平臺(tái)出現(xiàn)1處約4 m2的塌坑。

        2 大壩壩坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

        2.1 相關(guān)參數(shù)及計(jì)算方法

        (1)穩(wěn)定安全系數(shù)確定

        馬頭水庫樞紐工程等級(jí)為Ⅲ等,永久性主要建筑物為3級(jí),當(dāng)主壩處于正常運(yùn)行條件時(shí),采用簡化畢肖普法所要求壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30,當(dāng)主壩處于非常運(yùn)用條件時(shí),簡化畢肖普法所要求的壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20。

        (2)計(jì)算斷面和計(jì)算參數(shù)確定

        1)計(jì)算斷面

        根據(jù)主壩的現(xiàn)場(chǎng)安全檢查結(jié)果,結(jié)合壩體和壩基的地質(zhì)情況及地質(zhì)勘察成果,并考慮偏安全的因素,滲流計(jì)算選取的計(jì)算斷面為0+100斷面、0+300斷面。

        2)計(jì)算參數(shù)確定

        本次主壩穩(wěn)定復(fù)核中主壩壩體填土的物理力學(xué)指標(biāo)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定以初設(shè)階段地勘報(bào)告為依據(jù),具體見表1。

        表1 主壩填筑土料力學(xué)指標(biāo)表

        3)壩坡抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

        根據(jù)工程的實(shí)際情況,壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算考慮設(shè)計(jì)工況為:①庫水位為正常蓄水位94.40 m時(shí)形成穩(wěn)定滲流期的下游坡;②庫水位為設(shè)計(jì)洪水位98.18 m時(shí)形成穩(wěn)定滲流期的下游坡;③正常蓄水位94.40 m驟降至死水位水位74.0 m時(shí)形成非穩(wěn)定滲流期的上游坡。

        4)計(jì)算方法

        按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001),對(duì)3級(jí)建筑物,采用計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在計(jì)算下游坡的抗滑穩(wěn)定時(shí)采用有效應(yīng)力參數(shù);在計(jì)算上游坡的抗滑穩(wěn)定時(shí)分別采用有效應(yīng)力和總應(yīng)力參數(shù)[1]。

        計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的“邊坡穩(wěn)定分析軟件5.11版”。

        水位降落期總應(yīng)力法計(jì)算公式:

        穩(wěn)定滲流期和水位降落期有效應(yīng)力法計(jì)算公式:

        式中:b為條塊寬度;W為條塊實(shí)重,W=W1+W2+γwZb;W1為在壩坡外水位以上的條塊實(shí)重;W2為在壩坡外水位以下的條塊浮重;Z為壩坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離;u為穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力;ui為水庫水位降落前壩體中的孔隙壓力,按滲透系數(shù)小值平均值計(jì)算;β為條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角。C′為土體的有效凝聚力;Φ′為土體的有效內(nèi)摩擦角。

        式中:ai為土條滑動(dòng)面與水平方向的夾角。

        2.2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

        現(xiàn)狀大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果見表2。

        由表2可知,主壩樁號(hào)0+100斷面在設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期的下游坡(K=1.295)、正常蓄水位降至的死水位的大壩上游坡(K=1.181、K=1.068),主壩樁號(hào)0+300斷面在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期坡的下游坡(K=1.232)、正常蓄水位降至的死水位的上游坡(K=1.172)等工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值(K=1.30),即穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求;其它工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

        表2 現(xiàn)狀壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算成果表

        3 壩坡加固設(shè)計(jì)

        為防止主壩加高培厚段壩身受風(fēng)浪淘刷及雨水沖刷,上游坡采用干砌塊石護(hù)坡與砼預(yù)制塊護(hù)坡進(jìn)行擇優(yōu)選用,下游坡采用草皮護(hù)坡。

        3.1 護(hù)坡厚度計(jì)算

        干砌石護(hù)坡厚度按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)中A.2.1公式計(jì)算:

        Q=0.85Q50=0.525PKD3

        式中:D為石塊的換算球形直徑,m;Kt為隨坡比變化的系數(shù),查表取值主壩1.4;ρk為塊石密度,t/m3;ρw為水的密度,t/m3;m為坡度,m=2.5;hp為累積頻率為5%的設(shè)計(jì)波浪高度,m;t為護(hù)坡厚度,m。

        砼預(yù)制塊護(hù)坡厚度,按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)中A.2.3式計(jì)算:

        式中:η為系數(shù),對(duì)整體式大塊護(hù)面板取1.0,對(duì)裝配式護(hù)面板取1.1;hp為累積頻率為1%波高;b為沿壩坡向板長,m;ρc為板的密度,取2.4 t/m3;m為坡度,m=2.5;t為砼護(hù)坡厚度,m。

        二種護(hù)坡型式厚度計(jì)算結(jié)果見表3。

        表3 主壩護(hù)坡厚度計(jì)算成果表

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,參照其它工程經(jīng)驗(yàn)及滿足施工要求,干砌塊石護(hù)坡厚度取30 cm,砼預(yù)制塊護(hù)坡主壩取15 cm。

        3.2 護(hù)坡型式比選

        通過護(hù)坡厚度計(jì)算,主壩上游護(hù)坡采用厚15 cm,邊長30 cm正六邊形預(yù)制塊護(hù)坡和厚度30 cm干砌塊石進(jìn)行比較,護(hù)坡下均設(shè)置10 cm厚砂卵石混合料墊層,其工程量投資比較見表4。

        表4 主壩護(hù)坡型式單位面積投資比較表

        由表4可知,砼預(yù)制塊護(hù)坡方案投資較干砌石護(hù)坡稍小,且砼預(yù)制塊護(hù)坡上具有施工速度快、美觀、耐久性好的優(yōu)點(diǎn),適用于施工周期短的除險(xiǎn)加固工程,故選用砼預(yù)制塊護(hù)坡。

        4 結(jié)語

        土石壩是我國水利工程的重要的堤壩形式,保證堤壩的穩(wěn)定性對(duì)于我國的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要的意義。根據(jù)上述分析,大壩主壩上、下游坡抗滑穩(wěn)定均不滿足要求;主壩上游干砌石護(hù)坡局部風(fēng)化缺失,下游干砌石護(hù)坡局部架空不完整,壩腳壓浸平臺(tái)出現(xiàn)塌坑。主要原因可能是由于馬頭水庫大壩清基不徹底,壩體施工填筑質(zhì)量差,壩體中存在高程不一的軟弱夾層等問題,導(dǎo)致壩基、壩肩及壩體滲漏較為嚴(yán)重,危及大壩的抗滑穩(wěn)定安全,使得主壩存在諸多安全隱患,須采用相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

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