某弃渣坝除险加固前后稳定性分析

2018-05-04谢忱

水利规划与设计 2018年4期

谢忱

(山东省胶东调水工程胶州管理处，山东胶州 266300)

1 工程概况

某水库是秦岭北麓渭河一级支流石头河上一座以灌溉、发电、城市供水、防洪、养殖等综合利用的大2型水利枢纽工程，该水库除担负下游灌区2.47万hm2的农田灌溉任务之外，还担负着向城市供水的任务，今后将会进一步担负向周边多座城市供水的任务，是重要的供水水源地。黑沟河位于水库下游左岸，属其一级支流，自西向东于水库下游大坝背水坡坡脚处流入石头河。弃渣坝是水库大坝施工期间，将大量废弃土石料堆积于黑沟沟口，未经任何碾压，最大坝高47m，总堆积方量约120万m3，库容约93万m3。弃渣坝在堆积前，沿沟底砌筑了一座浆砌石排水涵洞，但在1981年8月的洪水冲刷下发生部分坍塌，只能排出很小的流量，丧失排洪功能，此外，水库水位增高时，在弃渣坝下游坝坡下部有多处渗水，沿涵洞周围存在管涌，对弃渣坝的稳定和安全造成严重威胁[1- 3]。为解决上述问题，本工程在黑沟河左岸边岩体内开挖一座排洪隧洞，并对整修前后坝体渗流和边坡稳定性进行了分析[4- 8]，为工程的整修设计和施工方案优化及后期安全运行提供了科学的依据。

2 弃渣坝整修前后稳定性分析

2.1 渗流计算

2.1.1 渗透指标选取及荷载组合

渗流断面选取沿沟底的断面，该断面为最大坝高断面，其渗流状态能基本反映弃渣坝的整体渗流状态。弃渣坝坝基为基岩，视为不透水层，整修前坝体分为淤泥层和坝体两个渗透区，其渗透系数根据地质勘察报告的成果选取；整修后的坝体分为淤泥层、培厚填土和坝体三个渗透区，培厚填土的指标根据填筑指标选取，其他参数同整修前的参数。整修前后各渗透区的参数取值见表1。

表1 整修前后各渗透区的参数取值

本次渗流计算采用土石坝二维渗流计算程序，其方法为三角形单元有限元分析方法，采用改进平方根法直接求解线性代数方程组。

计算的荷载组合根据规范规定，土坝计算应考虑水库运行中出现的不利条件，因该弃渣坝平时不蓄水，只在汛期短暂滞洪，所以本次未计算正常蓄水位和1/3坝高水位的荷载，只计算下列两种水位组合情况:①上游设计滞洪水位742.66m与下游水位714.70m；②上游校核滞洪水位747.57m与下游水位714.70m；因坝体下游沟底高程为714.70m，与某水库泄洪洞洞顶齐平，且各种工况下下游基本无水，所以计算时下游水位取714.70m。

图1 整修前后弃渣坝在设计及校核水位下的渗流结果

2.1.2 计算结果及分析

根据上述荷载组合情况分别计算出下游坝坡出逸点高程及渗流量值见表2和图1。

表2 各荷载组合下渗流计算结果单位：m

由表2及图1可以看出：整修前在设计洪水位时弃渣坝下游坝坡出逸点位于坡脚处，高程为715.14m，比下游沟底高程714.70m只高0.44m，说明出逸点高程较低，但其单宽渗流量较大，为477.17m3/(d·m)；整修后在设计洪水位时弃渣坝下游坝坡出逸点也位于坡脚处，高程为714.91m，比整修前的出逸点高程略低0.23m，差别较小，但其单宽渗流量很小，较整修前差别极大，仅为0.56m3/(d·m)；整修前在校核洪水位时弃渣坝下游坝坡出逸点位于坡脚处，高程为715.59m，比设计洪水位时稍高，总体来说出逸点仍较低，但其单宽渗流量明显增大，为707.00m3/(d·m)；整修后在校核洪水位时弃渣坝下游坝坡出逸点仍位于坡脚处，高程为715.20m，比整修前的出逸点高程略低0.39m，差别不大，但其单宽渗流量较整修前降幅极大，仅为0.98m3/(d·m)。由上述结论可以看出，弃渣坝整修后，在防渗方面的效果很显著。

2.2 坝坡稳定计算

2.2.1 坝体材料参数选取及计算工况

坝坡稳定计算是在渗流计算的基础上进行，断面的选取与渗流计算一致。由于弃渣坝平时不蓄水，滞洪时水位涨落幅度较大且历时短、变化快，因此为便于计算，仍按照渗流计算时设计洪水位和校核洪水位进行计算，此外还需要分别对上游和下游坝坡的稳定进行计算，具体计算工况如下：①坝前水位为设计滞洪水位742.66m，下游水位714.70m，此时的上游坝坡稳定情况；②坝前水位为设计滞洪水位742.66m，下游水位714.70m，此时的下游坝坡稳定情况；③坝前水位为校核滞洪水位747.57m，下游水位714.70m，此时的上游坝坡稳定情况；④坝前水位为校核滞洪水位747.57m，下游水位714.70m，此时的下游坝坡稳定情况。

设计滞洪水位下的工况为正常工作条件下的工况，校核滞洪水位下的工况为非常工作条件下的工况。根据相关规范要求，正常工作条件下的稳定安全系数为1.25，非常工作条件下的稳定安全系数为1.15。坝体各材料的计算参数是根据地勘报告中的物理力学指标建议值选取的，具体见表3。

表3 坝体各材料的计算参数

表4 各工况下坝坡稳定计算结果

2.2.2 计算结果及分析

根据上述工况和坝体各材料计算参数，采用土石坝边坡稳定计算程序中的毕肖普法，确定相应的最小安全系数和相应的滑裂弧位置，计算出各工况下计算断面上、下游坝坡的最小安全系数见表4和图2。

由表4及图2可以看出：整修前在设计洪水位时，弃渣坝上游坝坡的滑弧半径为70.84m，安全系数为1.42，下游坝坡的滑弧半径为86.15m，安全系数为1.28；而整修后在设计洪水位时，弃渣坝上游坝坡的滑弧半径为24.85m，安全系数为1.51，下游坝坡的滑弧半径为82.15m，安全系数为1.35，与整修前相比，滑弧半径变短，滑弧深度变浅，上游坡变化更为明显，滑弧的圆心坐标在上、下游坡均表现为在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，安全系数均有所提高。整修前在校核洪水位时，弃渣坝上游坝坡的滑弧半径为50.00m，安全系数为1.06，不满足规范要求，下游坝坡的滑弧半径为97.83m，安全系数为1.27；而整修后在校核洪水位时，弃渣坝上游坝坡的滑弧半径为30.05m，安全系数为1.42，下游坝坡的滑弧半径为80.12m，安全系数为1.29，与整修前相比，滑弧半径变短，滑弧深度变浅，上游坡变化最为明显，下游坡变化较小，滑弧的圆心坐标在上、下游坡均表现为在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，上游坡安全系数提高了0.36，效果明显，下游坡略有提高。

3 结论

通过对整修前后坝体渗流和边坡稳定性进行分析，整修前在设计和校核洪水位时弃渣坝下游坝坡出逸点均位于坡脚处，出逸点高程较低，但单宽渗流量较大；整修后在设计和校核洪水位时弃渣坝下游坝坡出逸点也位于坡脚处，比整修前的出逸点高程略低0.23m，单宽渗流量很小，较整修前降幅极大，整修后分别为0.56m3/(d·m)和0.98m3/(d·m)，可以看出弃渣坝整修后在防渗方面的效果很显著。整修后在设计洪水位时，上游坝坡的安全系数为1.51，下游坝坡的安全系数为1.35。整修后在校核洪水位时，上游坝坡的安全系数为1.42，下游坝坡的安全系数为1.29。与整修前相比，滑弧半径变短，滑弧深度变浅，上游坡变化最为明显，下游坡变化较小，滑弧的圆心坐标在上、下游坡均表现为在水平方向上向下游偏移和在垂直方向上向下偏移的特征，校核洪水位时上游坡安全系数提高了0.36，效果明显。