兴隆山水库大坝稳定性分析

韩丽霞

(彰武县水利技术推广中心站， 辽宁 阜新　123200)



兴隆山水库大坝稳定性分析

韩丽霞

(彰武县水利技术推广中心站， 辽宁 阜新123200)

兴隆山水库已运行五十多年，目前大坝存在诸多问题，需要对大坝的稳定性重新进行复核，验算大坝的稳定性和安全性，确保其安全运行。本文根据兴隆山水库运行现状，分析大坝存在的主要问题，对大坝高程及坝体稳定性进行了复核，为兴隆山水库除险加固工程建设提供参考。

兴隆山水库； 大坝； 稳定性； 复合； 稳定验算

1　工程概况

兴隆山水库位于辽宁省彰武县东10km的兴隆山乡，养息牧河流域地河上游，坝址以上集雨面积25.70km2，坝顶长1790m，坝顶高程103.50m，最大坝高为6.50m，主坝右端建有1座长45.60m，1.00m×1.20m矩形浆砌石输水洞，进口底高程97.47m；副坝上游建有溢洪道，堰顶高程100.50m，闸体为钢筋混凝土结构。水库设计洪水标准50年一遇，设计洪水位101.31m，相应库容237.86万m3；校核洪水标准500年一遇，校核洪水位101.92m，相应库容318.94万m3。兴隆山水库设计灌溉水田面积2000亩，养鱼水面390亩，保护着下游3000亩耕地、6000人的安全。兴隆山水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养鱼综合利用的小(1)型平原水库。

1958年，兴隆山水库开始兴建；1963年，未完工程进行续建；1977年，溢洪道工程进行维修；1989年，新建防浪墙工程和大坝护坡翻修；2005年，溢洪道工程进行二次维修、加固。

2　大坝稳定性复核的必要性

截至目前，兴隆山水库已运行五十多年，由于历史原因和运用中的多种因素影响，大坝存在的主要问题是：坝顶高低不平，0+205～0+380和0+730～1+250段下游坝坡严重缺土，存在着严重的安全隐患；上游护坡石经过多年的冻融循环，风化破损严重，大部分坝面无反滤层，坝体土流失；0+000～0+615下游是鱼塘，水位较高，浸泡坝脚，大坝无排水体。

鉴于上述原因，需要对兴隆山水库大坝的稳定性重新进行复核，验算大坝的稳定性和安全性，确保水库大坝安全运行。

3　地质概况

3.1工程地质

兴隆山水库库区位于彰武县中部平原区，大地构造位于中朝准地台燕山台褶带东部，水库及坝址区地层简单，水库区范围无大的构造发育，无不良工程地质现象，区域稳定性良好。

按照《中国地震动参数区划图(辽宁省地震动峰值加速度区划图)》(GB 18306—2001)划分，兴隆山水库地处地震基本烈度Ⅵ度区，地震动峰值加速度为0.05g。

3.2坝区地质

兴隆山水库位于养息牧河，地势较平坦，植被覆盖良好。坝址区广泛分布在第四系中砂层(Q3～4)，钻孔揭示厚度22～22.99m，呈浅黄褐色、灰白色，稍湿饱和。上部稍密状态，下部中密～密实状态，成分以石英为主，其次是长石，少见暗色矿物，分选良好，级配磨圆较差，无胶结。

4　坝体特性

兴隆山水库建于“大跃进”时代，属“三边”工程，是当地群众靠手拉、肩扛等方式建起的工程，筑坝多采用当地坝址周边的土料。现场勘查结果表明：兴隆山水库坝基为轻壤土兼沙壤土；物理力学指标为干容重γ干=15.50kN/m3，土壤内摩擦角φ=21°，渗透系数7×10-5cm/s；大坝为均质土坝，筑坝土料为粉质沙壤土，其物理力学指标见表1。

表1　岩土物理力学设计指标

5　坝顶高程复核

坝体典型断面为:坝高5.50m，坝顶宽4m，上游坡比为1∶30，下游坡比为1∶40，上游采用块石护坡，下游为草皮护坡，坝顶高程为103.50m，防浪墙顶高程为104.30m。

5.1坝顶超高计算

5.1.1计算公式

a.坝顶超高计算。

Y=R+e+A

式中Y——坝顶超高，m；

R——最大波浪在坝坡上的爬高m；

A——安全加高(设计标准A=0.5m，校核标准A=0.3m)。

b.风浪爬高计算。

风浪爬高按蒲田试验公式计算：

式中Rm——平均波浪爬高，m；

KΔ——斜坡的糙率渗透性系数(KΔ=0.8)；

m——上游坡的坡度系数(m=3)；

hm——平均波高,m;

lm——平均波长,m。

其中KW、hm、lm计算公式为：

式中W——风速(水面上空10m处10min内的平均风速)，m/s；

H——坡前水深，m；

g——重力加速度。

查《SL 274—2001》表A.1.12-2得：H设=3.31m，H校=3.12m，W设=18.31×0.96×1.5=26.4m/s,W校=18.31×0.96=17.5m/s。由此可得：

KW设=1.29

KW校=1.20

式中D——风区长度，m；

Hm——水域的平均水深；

Tm——平均波周期,s。

5.1.2设计洪水位坝顶超高

D=800m，W=26.4m/s，H设=3.31m，e≈0.031。

经计算：hm=0.35m，Tm=2.63s，lm=10.80m，Rm=0.63m，Rp=1.10m。

坝顶超高Y=1.10+0.031+0.5=1.631(m)。

5.1.3校核洪水位坝顶超高

D=800m，W=17.6m/s，H校=3.92m，e≈0.012。

经计算：hm=0.23m，Tm=2.13s，lm=7.09m，Rm=0.39m，Rp=0.72m。

坝顶超高Y=0.72+0.012+0.3=1.032(m)。

5.2坝顶高程确定

5.2.1设计洪水位坝顶高程

坝顶高程=101.31+1.63=102.94m。

5.2.2校核洪水位坝顶高程

坝顶高程=101.92+1.03=102.95m。

6　主坝稳定验算

6.1主坝渗透稳定验算

主坝土料主要为沙壤土或轻壤土，物理力学指标为：湿容重γ湿=18.30kN/m3，饱和容重γ饱=19.7kN/m3，干容重γ干=15.7kN/m3，土壤内摩擦角φ=20°，土粒比重Δ=2.64，孔隙率n=0.393。

6.1.1土体渗透变形类型的判定

依据《水利水电工程地质勘查报告》(GB 50287—99)，土体的渗透变形类型根据土的细粒含量，采用下列方法进行判别。

式中Pc——土的细颗粒含量，以质量百分率计；

n——土的孔隙率(根据地质勘测的结果，n取0.393)。

6.1.2渗透计算

6.1.2.1计算公式

按均质坝不透水地基，设棱体排水，下游无水情况计算土坝浸润线。根据《中小型水库设计》计算公式为：

式中h1——浸润线在下游坡逸出点的高度,m；

L——断面A-A到排水设备内坡脚的距离,m;

H——坝前水头,m；

t——水面距坝顶的高度,m;

ε——经验系数，取0.30;

l——浸润线进入排水设备的深度，m。

6.1.2.2水库正常水位时的渗透计算

a.浸润线计算

水库正常水位(100.50m)为计算水位时，H=2.50m。

L=0.30×3×2.50+3×3+4+(2.50+3)×

4-7.5=29.75m

表2　浸润线计算成果

土坝浸润线图(见图1)：

图1　正常水位时土坝浸润线 (单位：m)

从土坝浸润线图中可以看出，土坝设计断面满足渗流要求，距坝坡最小处距离超过了冻层深度，不会造成土坝冻胀破坏。

b.渗透计算

坝体破坏坡降：J破坏=(Δ-1)(1-n)。

式中KB——流土安全系数，KB=2；

Δ——土粒比重，Δ=2.64；

n——土的孔隙率，n=0.393。

则:

J破坏=(2.64-1)(1-0.393)=0.99548

J

6.1.2.3水库设计水位时的渗透计算

a.浸润线计算

水库设计洪水位(101.31m)为计算水位，H=3.31m。

L=0.3×3×3.31+2.19×3+4+

(3.31+2.19)×4-7.5=28.05m

表3　浸润线计算成果

土坝浸润线图(见图2)：

图2　设计洪水位时土坝浸润线 (单位：m)

从土坝浸润线图中可以看出，土坝设计断面满足渗流要求，距坝坡最小处距离超过了冻层深度，不会造成土坝冻胀破坏。

b.渗透计算

J

6.1.2.4水库校核水位时的渗流计算

a.浸润线计算

水库校核洪水位(101.92m)为计算水位，H=3.92m。

L=0.3×3×3.92+1.58×3+4+

(3.92+1.58)×4-7.5=26.77m

表4　浸润线计算成果

土坝浸润线图(见图3)：

图3　校核洪水位时土坝浸润线 (单位：m)

b.渗透计算

从土坝浸润线图中可以看出，土坝设计断面满足渗流要求，距坝坡最小处距离超过了冻层深度，不会造成土坝冻胀破坏。

J

6.2主坝下游坝坡稳定验算

坝坡稳定计算选取大坝标准断面，坝高6.50m，计算不同运行条件下的坝坡抗滑稳定安全系数是否满足规范要求，并确认其是否符合大坝稳定条件。

计算公式：

式中Wi——单宽坝长的土条重(Wi=bhiγ)；

b——土条宽度；

hi——土条的平均高度；

γ——土的容重，按有渗透水压力计算土的容重方法选用；

αi——土条弧边的弦与水平线的夹角，即切线角；

tgφi——土的内摩擦角φ的正切值，即摩擦系数；

Ci——土的黏结力；

Li——圆弧的长度。

具体计算，按照理正边坡稳定分析软件进行稳定计算。计算结果见表5所列。

表5　坝坡抗滑稳定安全系数

注表中[K]值根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)8.3.11规定予以确定。

7　小　结

经过对兴隆山水库坝顶高程复核计算表明：校核洪水位时坝顶高程为102.95m，校核洪水位为101.92m，水库现坝顶高程为103.50m，防浪墙顶高程为104.3m，说明土坝坝顶高程满足要求；对兴隆山水库坝坡抗滑稳定计算结果表明，在水库正常水位、设计洪水位、校核洪水位等各种工况下，大坝抗滑稳定安全系数大于规范允许的安全系数，大坝稳定性满足规范要求，大坝处于稳定状态。

建议水库工程管理单位及主管部门，针对工程存在的主要问题，完善大坝排水体等必要设施，及时进行除险加固和维修养护，确保兴隆山水库安全运行。

Analysis on stability of Xinglongshan Reservoir dam

HAN Lixia

(ZhangwuCountyWaterConservancyTechnologyPromotionCenter,Fuxin123200，China)

Xinglongshan Reservoir has been operated for more than fifty years. The dam has many problems currently. Stability of the dam should be checked again. Stability and safety of the dam should be calculated, thereby ensuring safe operation of reservoir dam. In the paper, main problems of the dam are analyzed according to the operation status of Xinglongshan Reservoir. Dam elevation and dam stability are checked again, thereby providing reference for risk removal and reinforcement project construction in Xinglongshan Reservoir.

Xinglongshan Reservoir; dam; stability; checking; stability calculation

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.018

TV62

A

1005-4774(2016)01-0060-05