大壩排水在下游邊坡穩(wěn)定的影響范文

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摘要：影響水庫大壩除了自身的筑壩材料、結(jié)構(gòu)等因素外，壩體水土流失及淤積對后壩坡邊坡穩(wěn)定的影響也逐漸凸現(xiàn)出來。本文以羊溪河水庫為例，通過壩后淤泥排水方式選擇，分析對壩坡的影響。

關(guān)鍵詞：大壩；排水；下游邊坡；穩(wěn)定；影響

1工程概況

1.1工程總體布置

臨潭縣羊溪河水庫位于南門河支流羊溪河中游，壩址控制流域面積5.76km2。羊溪河水庫是一座以防洪為主，兼顧灌溉的Ⅴ等小（2）型水庫，水庫1975年建成投入運行，水庫興利庫容8.7萬m3，正常蓄水位2743m；洪水起調(diào)水位2743.00m。20年一遇設(shè)計洪峰流量36.7m3/s，設(shè)計洪水位2744.23m；200年一遇校核洪峰流量67.4m3/s，校核洪水位2745.08m，對應(yīng)的總庫容為22萬m3。水庫樞紐由大壩、輸水洞、溢洪道等組成。該水庫目前泄洪僅由溢洪道承擔(dān)。

1.1.1大壩

大壩為粉質(zhì)壤土均質(zhì)壩，壩高10～11.3m，壩頂寬3.3～5.8m，壩頂長度135m，壩頂高程2744.0～2745.53m。大壩上下游壩面均未設(shè)馬道。上游壩坡坡度為1∶2.15；下游主壩坡坡度1∶1.39，淤積部位壩坡為1∶4.77～1∶13.5。從現(xiàn)場安全檢查的情況來看，壩頂路面為碎石路面，無照明設(shè)施及大壩觀測及安全監(jiān)測設(shè)施；上游壩坡無護坡，壩面雜草叢生，平整度較好；下游壩坡草皮護坡，平整度較差，表面無排水系統(tǒng)。從實測斷面來看，上下游壩坡無戧道，下游壩坡未設(shè)排水棱體。

1.1.2輸水洞

輸水洞臨近大壩右岸，由取水臥管及輸水涵洞組成，輸水臥管部分已封堵。取水涵洞進(jìn)口底板高程2737.0m，出口2737.00m，長70.2m，為漿砌石加鋼筋砼蓋板矩形斷面形式，涵洞高1.0m，寬為0.8m，取水臥管為5級，每級高差為5m，臥管部分取水口已封堵，已失去取水輸水功能。

1.1.3溢洪道

溢洪道位于水庫左岸，屬開敞式溢洪道。控制段采用寬頂堰，平面布置為直線形，堰寬3.2m，控制段長4.0m，為漿砌石矩形結(jié)構(gòu)，堰頂高程約為2743.00m，單寬校核泄洪流量8.1m3/s•m。控制段上部為交通橋，橋?qū)?.0m，橋高2.5m，為漿砌石拱形結(jié)構(gòu)。控制段前為一喇叭口引水渠，底寬由6.0m漸變至3.2m，引水渠長7.2m。溢洪道泄槽長87.82m，為矩形斷面，漿砌石結(jié)構(gòu)。

1.1.4水庫

未設(shè)水庫運行管理房，水庫上壩公路長2.6km，為土質(zhì)路面，崎嶇不平，遇雨天難以運行。水庫無安全檢測及雨情、水情測報系統(tǒng)。1.2工程加固情況根據(jù)羊溪河水庫存在的問題，擬定的羊溪河水庫樞紐建筑物除險加固的主要任務(wù)是完善大壩的防滲體系，加固大壩下游壩坡并設(shè)置排水棱體，壩頂進(jìn)行平整修整；重建溢洪道進(jìn)水口，拆除重建泄槽，并在末端設(shè)置消力池；拆除輸水洞前取水臥管，新建輸水洞前進(jìn)水閘室，并配備閘門等金屬結(jié)構(gòu)，新建工作橋，加固洞身局部側(cè)墻，在輸水洞出口處設(shè)置消能防沖設(shè)施，對輸水涵洞后土渠進(jìn)行襯砌；完善工程運行、管理及監(jiān)測設(shè)施；提高水庫蓄水和防滲能力，確保水庫大壩安全，并使工程加固后最大限度滿足灌溉要求，充分發(fā)揮本工程的經(jīng)濟和社會效益。

1.2.1大壩

大壩為粉質(zhì)壤土均質(zhì)壩，壩長138m，上游壩坡坡度不等，平均壩坡1∶2，現(xiàn)狀淤積面高程2740.00m，經(jīng)復(fù)核，上游壩坡抗滑穩(wěn)定，為保持上游土工膜的抗滑穩(wěn)定，削坡至1∶2.5。加固對上游壩面不平整段部位，進(jìn)行平整夯實處理，并清除上游壩坡雜草及浮土，削壩坡為1∶2.5，平整夯實后，鋪設(shè)復(fù)合土工膜，然后在復(fù)合土工膜上鋪設(shè)20cm砂礫石墊層，最上層鋪設(shè)厚40cm干砌石護坡。復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍為右壩肩至溢洪道右導(dǎo)墻，下部至淤積面2740.0m處頂部至壩頂高程。經(jīng)上下游壩坡穩(wěn)定復(fù)核，在正常蓄水位遇Ⅶ度地震的非常運用條件下，下游壩坡不能滿足抗滑穩(wěn)定安全要求。因此，本次加固設(shè)計從壩下游側(cè)培厚壩體，放緩壩坡，使其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。現(xiàn)狀下游壩坡坡度自上而下為1∶39、1∶4.77、1∶7.29、1∶5.37，主要邊坡以1∶1.39為主，加固后下游壩坡為1∶2.25。在下游坡腳處增設(shè)長為59m貼坡式排水體，貼坡式排水體頂高程為2740.00m。下游壩坡放緩時，先清除壩坡表面雜草及浮土，從下游側(cè)培厚壩體。壩殼土料仍采用當(dāng)?shù)胤圪|(zhì)壤土。為了提高壩坡填土的密實度和均勻度，使填土具有足夠的抗剪強度和較小的壓縮性、滲透性，避免不均勻變形引起壩體裂縫，土料設(shè)計采用工程類比法，即結(jié)合當(dāng)?shù)赝临|(zhì)和施工條件，并參照已建工程經(jīng)驗，選擇粉質(zhì)壤土作為壩坡填料。填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)：壓實度96%。原壩頂寬約3.3～5.8m，通常有行人及車輛通過，考慮交通要求，將壩頂從下游側(cè)加寬至5.0m。現(xiàn)有壩頂兩側(cè)無任何攔擋設(shè)施，路面也未做任何處理。本次除險加固，在壩頂上游側(cè)增設(shè)C20砼緣石，上游壩頂緣石埋深800mm、寬500mm，露出壩頂部分高300mm，兼做復(fù)合土工膜的錨固墻。壩頂平整以后設(shè)泥結(jié)碎石路面厚200mm，改建后的壩頂高程為2745.53m，包括緣石總寬5.0m。加固后壩頂長度138m。

1.2.2溢洪道

現(xiàn)狀溢洪道存在的主要問題是溢洪道進(jìn)水口、泄槽底板及側(cè)墻漿砌石襯砌凍脹破壞嚴(yán)重，泄槽段上游段便道占用行洪斷面，嚴(yán)重影響行洪安全。泄槽末端未設(shè)消能防沖設(shè)施，進(jìn)水通橋已開裂。必須對溢洪道進(jìn)行改建，增設(shè)消力池等消能防沖設(shè)施。針對以上出現(xiàn)的問題對溢洪道進(jìn)行改建加固，改建后的溢洪道仍由進(jìn)口寬頂堰、漸變段、泄槽段及消力池組成。進(jìn)口控制段形式采用寬頂堰。溢流堰凈寬6m，堰長6m，堰頂高程2742.50m，結(jié)合交通橋，采用C20鋼筋砼箱涵結(jié)構(gòu)。底板厚50cm，側(cè)墻厚0.5m。漸變段長6m，底寬由6m漸變至4m，厚30cm，現(xiàn)澆C20鋼筋砼結(jié)構(gòu)。泄槽為矩形斷面鋼筋砼結(jié)構(gòu)，寬4m，0+011～0+030.1段深2.0m，0+030.1～0+093段深1.5m，總長82m。底板厚0.3m，側(cè)墻厚0.3m。泄槽在平面上中心線，基本保持與原泄槽一致。消力池泄槽末端未設(shè)消力池，現(xiàn)增設(shè)消力池，底寬6m，長12m，消力池后接鋼筋籠塊石護坦，長5m。

1.3水庫現(xiàn)狀

該水庫大壩于1975年建成。因勘測設(shè)計資料不足，施工又受冬季影響，大壩壩體、輸水洞及洞前取水臥管、溢洪道施工質(zhì)量均存在一定問題，嚴(yán)重影響工程效益的發(fā)揮。通過大壩滲流計算，確定壩體排水形式。根據(jù)土工試驗資料：原壩體滲透系數(shù)取2.428×10-4cm/s，加固后壩體保持與原壩體一致，其滲透系數(shù)取2.428×10-4cm/s，土工膜取1×10-9cm/s。

2大壩排水形式的選擇

2.1大壩滲流計算利用北京理正巖土計算5.11版滲流計算軟件進(jìn)行有限元滲流計算。正常蓄水位時：計算最大斷面壩體單寬滲流量=0.018m3/d•m，總滲流量2.47m3/d。校核洪水位時：計算最大斷面壩體單寬滲流量=0.022m3/d•m，總滲流量3.01m3/d。

2.2滲流穩(wěn)定分析

該壩滲透變形的類型為過渡型，臨界水力坡降按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB5028755—99）規(guī)定經(jīng)驗值選取，壩體壤土允許水力坡降取0.46。分析過程中，對水庫正常水位下運行的壩體及壩基的滲流穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核。

2.2.1壩基滲流穩(wěn)定分析壩體滲透變形的類型為流土型，其臨界水力比降Jcr采用下式計算：Jcr=(Gs-1)(n-1)式中，GS為土粒比重，取2.71；n為土的孔隙率，取0.46；得出壩體的臨界水力比降Jcr=0.92，壩體的允許水力比降J允許=0.46。對下游溢出點壩基在正常水位時的滲透坡降進(jìn)行計算：J=H0/L0式中，L0為有效滲徑（53m）；H0為水頭差（9.83m）；J為滲透坡降。計算得：J=0.19。壩基沖洪積壤土允許坡降為0.46，計算滲透坡降小于允許坡降，下游壩基滲流穩(wěn)定，不會發(fā)生滲透破壞。

2.2.2壩體滲流穩(wěn)定分析對壩體在正常水位時的滲透坡降進(jìn)行計算：J=H0/L0式中，L0為有效滲徑（14.2m）；H0為水頭差（4.5m）；J為滲透坡降。計算得：J=0.32，小于允許滲透坡降0.46，壩體滲流是穩(wěn)定的。壩體填筑不均勻，滲透系數(shù)較大，致使下游滲流量大，且分布不均勻，同時浸潤線位置偏高，相應(yīng)地溢出點較高，下游局部壩坡成濕潤狀，滲流溢出后成明流，對下游壩坡有沖刷作用，導(dǎo)致下游壩坡沖淤現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.3大壩排水形式的選擇

壩體設(shè)置排水設(shè)施是為了降低壩體浸潤線，減少壩體孔隙水壓力，提高壩坡穩(wěn)定性；控制滲流，防止?jié)B透破壞，保護壩坡土，防止凍脹破壞，排水體應(yīng)有足夠排水能力，以保證能自由向下游排除全部滲水，并按反濾原則設(shè)計，保證滲透穩(wěn)定。大壩壩體排水形式一般有棱體排水、貼坡排水、水平褥墊排水以及其他壩內(nèi)綜合性排水。壩體排水形式的確定取決于壩型、壩體形狀、壩基材料、壩基工程地質(zhì)及水文條件、下游水位、施工情況基壩址區(qū)氣象條件等，通過技術(shù)經(jīng)濟比較選定。通過壩體滲流計算，發(fā)現(xiàn)浸潤線位置較高，溢出點位置較高，適合的排水形式有貼坡排水、水平褥墊排水以及兩者綜合排水形式。棱體排水適用于壩腳處有水的情況；貼坡排水適用于壩體浸潤線較高的情況，主要保護浸潤線以下壩體土料不被滲水帶出坡面流失，防止浸潤線以下壩體在靠近壩面處凍結(jié)，影響排水；水平褥墊排水主要是降低浸潤線，使壩基滲水流暢排除，防止過度降低壩基土料摩擦角及黏聚力。經(jīng)綜合考慮，大壩加固后，排水采用綜合排水形式。

3設(shè)計變更及施工中緊急處理

經(jīng)專家建議，取消水平褥墊排水，保留貼坡排水，通過審批。原壩體下游邊坡經(jīng)鑒定計算不穩(wěn)定，需培厚放緩壩坡，在施工過程中，加固壩坡清基不徹底，尤其原河道部位淤泥尚未清除，后壩坡填筑至2743.0m時，由于連降大雨數(shù)日，壩基排水不暢，淤泥充分飽和導(dǎo)致黏聚力和摩擦角下降而遭到剪切破壞，致使原河道部位（0+050～0+101）的新填筑壩體沿新老壩體處下沉滑裂。現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)下游坡腳處淤泥狀壤土拱起，遭到剪切破壞，淤泥狀壤土承載力低，不適合做壩基，決定挖出遭破壞的已填筑壩體，挖出承載力低的壩基淤泥狀壤土，拋填塊石，并經(jīng)碾壓后再填筑新壩體。經(jīng)處理后，目前新舊壩體處未發(fā)現(xiàn)裂縫，新壩體未發(fā)現(xiàn)下沉等現(xiàn)象，說明處理方法適當(dāng)。通過洋溪河水庫大壩壩體排水形式的選擇以及在施工中驗證，在黃土地區(qū)溝道縱坡較陡的大壩下游壩坡加固過程中，合理選擇排水形式，稍有不慎，可能引起滑坡。

作者：楊麗萍