黄河粗泥沙区某拦沙坝安全稳定性分析

2020-08-17云杰，杨波

陕西水利 2020年5期

云杰，杨波

（榆林市淤地坝建设办公室，陕西榆林 719000）

1 概况

某拦沙坝库区位于黄河一级支流无定河流域内的黄河三级支沟(墩沟)上。库尾回水长度约1.5 km，整个库区属侵蚀剥蚀型低中山区，区内地势总体呈南高北低。该支沟为季节性流水沟，库区内流向近南西向，河床纵比降约为15.9‰。流域面积48.11km2，水土流失面积47.6km2。流域多年平均降水量394.6mm、径流深60 mm。该拦沙坝是流域中一座控制性中坝，坝高18.0 m，建筑物由坝体、放水工程和溢洪道三大件组成。该拦沙坝控制流域面积2.15 km2，汇流沟道长2.21 km，总库容51.99万m3，拦泥库容31.85万m3。洪水重现期为30年设计，300年校核，设计淤积年限为20年，可淤成坝地9.65 hm2，现已运行18年，淤地8 hm2。为了研究该拦沙坝的安全性和拦泥情况，现需对该拦沙坝的稳定性进行分析，以保障其安全运行。

2 地质分析

该拦沙坝所处流域为黄土丘陵沟壑区，区内沟坡纵横。库区岸坡一般约20°～40°，局部较陡。坝址区高程1045 m～1140 m，河谷为“U”形谷，谷底宽约50 m左右，河床底宽25 m～40 m，较平缓。岸坡较陡，左岸坡坡度一般为40°～47°；右岸坡坡度为15°～50°，下陡上缓。坝址区未见泉水出露，地下水主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，赋存于冲洪积砂砾石、残坡积碎石土、及砂岩裂隙中。主要接收大气降水补给，直接排泄于沟谷。

据坑槽探及物探剖面揭露，坝址河床覆盖层厚度一般为1 m～5 m，岩性为砂壤土、砂砾石；左岸坡脚坡积物厚度0～6 m，主要为棕黄色砂壤土、壤土，可见少量碎石土，左坝肩为黄土状土，坡度约50°，厚度一般为2 m～10 m；右岸坡积物厚度2 m～11 m，主要为棕黄色砂壤土、壤土。根据现场渗水试验及室内试验，人工於积砂壤土渗透系数为3×10-4cm/s～8×10-4cm/s，底部土夹碎石、砾石渗透系数为1×10-2～1×10-3cm/s。由于砂泥岩地层风化的差异性，砂岩强风化带厚度约为1 m～3 m，泥质粉砂岩强风化带厚度约为3 m～5 m，防渗水性好。库区地震动峰值加速度为0.1 g，基本烈度为Ⅵ度。

3 防洪能力分析

3.1 基本情况

该拦沙坝为均质土坝，坝顶高程为1019.00m，坝顶长116 m，高18 m。上游坝坡1∶2，下游坝坡在坝高10 m处设有马道，宽1.5 m。马道以下坡比1∶1.5，以上坡比1∶1.25，铺底宽68.50 m。为增加坝体的稳定性，防止渗流，在坝轴线处布设有结合槽，断面为梯形，底宽2.0 m，深2.0 m，边坡1∶1。坝在下游坝坡与两岸坡脚衔接处及马道上修建浆砌石排水沟，断面为0.3 m×0.3 m，底板厚0.3 m，侧墙厚0.3 m，其结构为M7.5浆砌石砌筑，M10砂浆勾缝。大坝建设时采用了机械回填碾压法进行了填筑。

3.2 库容分析

该拦沙坝分滞洪库容和淤积库容。采用《水土保持治沟骨干工程技术规范》[1]中公式计算库容:

式中:Ws为多年平均悬移质输沙量，万m3；Mo为侵蚀模数万t/（km2·a），查得Mo=1.0 万 t/（km2·a）；F为坝控流域面积，km2，F=2.15 km2；r为泥沙容重，取 1.35 t/m3；N为淤积年限，年。

经计算，其20年运行淤积库容为31.85万m3。

要算滞洪库容，先算溢洪情况，溢洪道采用矩形断面的宽顶堰，计算下泄流量。查《黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程一期项目可行性研究水文成果报告》得:Q3.3%=73 m3/s，W3.3%=12.64万m3；Q0.33%=128 m3/s，W0.33%=27.95 万 m3。

初步选定溢洪道断面尺寸进行调洪计算，步骤如下:

（1）由公式Q泄=Q校（1-V滞/W校），先假设V滞可求得Q泄值。

（2）由V总=V滞+V淤，根据水位库容曲线由V总查得H总。则h滞=H总-h淤；

（3）将Q泄、h滞代入公式；可求得溢洪道堰宽B。

设计洪水和校核洪水条件下的调洪计算数值选取及计算结果分别见表1、表2。

表1 设计洪水条件下溢洪道调洪计算表

表2 校核洪水情况下溢洪道调洪计算表

由以上调洪计算结果，确定溢洪道底宽5.0 m，在设计洪水条件下，泄流量为13.8 m3/s，滞洪水深h滞=1.5 m，滞洪库容10.26万m3；在校核洪水条件下，泄流量为35.8 m3/s，滞洪水深h滞=2.86 m，滞洪库容20.14万m3。

3.3 暴雨洪水计算

沟道最大洪水采用水利行业标准水保技术规范中的推理公式:

式中:Qp为设计频率为P的最大洪峰流量，m3/s；h为净雨深，mm，在全面汇流时代表相应于τ时段的最大净雨，在部分汇流时代表单一洪峰对应的面平均净雨；F为流域面积，km2；τ为流域汇流历时为沿主沟道从出口断面至分水岭的最长距离，km；m为汇流参数；J为沿程L的平均比降（以小数计）。

由于子洲处于陕蒙接壤地区，项目区属陕北分区（Ⅰ区），该区域具有暴雨强度大、历时短，洪水陡涨暴落、洪峰尖瘦等特点，属典型的“超渗产流”，因此采用“暴雨推求设计洪水”方法进行推流。公式为:

式中:m为汇流参数；θ1为流域特征参数，θ1＝L/（JF）1/3；hR为净雨量，mm，hR＞90 时采用 90。

查算出汇流参数m后，按式计算，计算并绘制Q～τ曲线，同时根据净雨过程绘制Q～t曲线，两条曲线的交点所对应的纵坐标120 m3/s 即为所求的洪峰流量Qp，横坐标0.6即为汇流历时τ，见图1。

图1 拦沙坝Qm～τ和Qm～t曲线

根据降雨径流关系，不同频率洪水总量等于单位换算系数0.1乘上频率为P的不同时段暴雨径流深（净雨深），再乘上坝址以上集水面积2.15 km2。不同频率下的洪水计算情况见表3。

表3 不同频率下的洪峰流量、洪水总量

3.4 输沙量计算

根据《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》[2]，年均输沙量等于坝址以上集水面积2.15 km2乘上坝址所在区域多年平均侵蚀模数。根据项目区1954年～2007年系列输沙模数分区图、试验小流域水土流失测验成果分析，该区域多年平均侵蚀模数0.74万t/（km2·a）。经计算，其年输沙量为1.59万m3/a，所以18年来，该坝已淤积泥沙28.64 万 m3/a。

4 坝体稳定分析

4.1 坝坡稳定计算

考虑库区淤积主要来自库区残坡积碎石土、风积砂及黄土，因此坝前淤积参数取坝址区砂壤土、泥夹砂砾石、碎石指标建议值的平均值。经过实验测算，坝体填土天然密度（湿密度）16.8 kN/m3，饱和密度19.8 kN/m3。坝前淤积天然密度（湿密度）14.5 kN/m3，饱和密度18.4 kN/m3。坝坡稳定分析计算采用刚体极限平衡法，该拦砂坝为均质土坝，危险滑面采用圆弧滑面进行搜索。

计算稳定渗流期坝坡稳定时，假定上游坝壳内浸润线与上游水位相同；坝体内浸润线依据渗流计算成果确定。根据有关技术规范，坝体允许抗滑稳定安全系数按照正常运用条件和非常运用条件应分别采用1.25和1.15。坝坡稳定分为两种工况:工况一，正常运行条件下，上游设计洪水位1009.98 m高程、下游无水时的上下游坝坡；工况二，上游淤积高程1011.70 m，相应上游水位1014.82 m、下游无水时的下游坝坡。

根据技术规范，碾压式土坝坝坡稳定计算工况为:运用期下游坝坡稳定。由于本工程坝址区地震烈度为VI度，可不进行抗震稳定验算。

4.2 计算结果及分析

采用中国水利水电科学研究院陈祖煜编写的“土石坝边坡稳定计算程序STAB2009”，该程序计算方法满足《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）的有关规定，符合《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL 289-2003）的要求。坝坡稳定计算采用刚体极限平衡法，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法。某拦砂坝为均质土坝，危险滑面采用圆弧滑面进行搜索。计算稳定渗流期坝坡稳定时，假定上游坝壳内浸润线与上游水位相同；坝体内浸润线依据渗流计算成果确定。

各工况上下游坝坡稳定计算最小安全系数为:工况一上游最小安全系数为1.881，下游最小安全系数为1.380，允许安全系数1.25。工况二下游最小安全系数为1.151，允许安全系数1.15。最危险滑弧分布见图2、图3。

图2 正常运用条件下，上游设计洪水位1009.98 m高程、下游无水时的上下游坝坡最危险滑面分布图

图3 上游淤积高程1011.70 m，相应上游水位1014.82 m、下游无水时的下游坝坡最危险滑面分布图

由图2、图3可知，当上游坝坡坡比1∶2，下游坝坡坡比1∶1.5时，各工况下的坝坡稳定安全系数均大于安全系数，在安全范围内，满足安全规范要求。上游坝坡较下游坝坡缓且上游水压力有抑制上游坝坡向下滑动的趋势，因而上游稳定安全系数较下游坝坡高。工况二坝前淤积厚度10.7 m，淤积阻止上游坝坡滑面向上游滑动，上游坝坡安全系数大大提高，因而此工况上游坝坡稳定可不予计算；工况二上游水位较工况一上游水位升高4.72 m，坝体浸润线进一步抬高，因而下游坝坡稳定安全系数较工况一有所减小，稳定安全系数减小于1.151，基本满足规范要求，该工况下游坝坡处于临界稳定状态。

根据该拦沙坝总库容在50×104m3～100×104m3之间，洪水重现期为30年设计，经综合分析，该坝当前安全稳定，各项功能均满足设计要求，能防御30年一遇洪水。