东谷水库水利枢纽工程坝坡稳定复核计算分析

2018-12-14童鸿强

陕西水利 2018年6期

黄欢，童鸿强，谌星

(1.袁州区电力建设管理站，江西宜春 336000；2.宜春市水土保持监督监测站，江西宜春 336000；3.上高县水利电力设计室江西宜春 336400)

1 工程概况

东谷水利枢纽位于江西省安福县境内的东谷河上，距安福县城14 km，总库容1.257亿m3。水库灌溉面积33.2万亩，电站装机16 MW，是一座以灌溉和发电为主，兼顾防洪及其他效益的综合性大（2）型水库。水库大坝为粘土心墙土石坝，坝顶高程149.80 m，防浪墙顶高程151.00 m，最大坝高67.8 m，坝顶宽度8.0 m，坝顶长度291.0 m，上游设三级马道，高程分别为135.00 m、119.00m、102.00 m，宽度为2.0 m；下游坝坡设两级马道和一级进厂公路，高程分别为135.00 m、117.00 m、95.20 m，宽度分别为 2.0 m、2.0 m、8.0 m。上游坝坡坡比 1:2.5、1:2.75、1:3.0、1:3.5，下游坝坡坡比 1:2.0、1:2.25、1:2.5。下游高程 95.20 m以下为堆石棱体，棱体上游坡坡比为1:1.5，下游坡比1:1.5，顶宽8.0 m，棱体后设砼集水槽。大坝上游坡135.00 m高程马道在施工过程中，经设计同意以会议纪要的形式将马道宽度改为3.5 m，马道以上坡度改为1:2.4。

上游坡面高程135.00 m以下设置干砌石护坡，以上预制砼护坡；下游坡面在坝趾堆石体以上设置草皮护坡。

2 计算内容及方法分析

据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)，东谷水库枢纽工程等别为II等，主要永久性建筑物为2级，永久性次要建筑物为3级。设计洪水标准为100年一遇，校核洪水位标准2000年一遇。依据有关规范，本次坝坡整体抗滑稳定分析中的特征水位按上述防洪标准复核成果进行计算。

2.1 计算工况

坝坡抗滑稳定复核计算在防洪标准复核和渗流安全评价成果的基础上进行，其具体工况如下：

(1)上游水位正常蓄水位148.00 m，下游水位为87.1 m时形成稳定渗流的下游坡；

(2)上游水位设计洪水位148.00 m，下游水位为93.0 m时形成稳定渗流的下游坡；

(3)上游水位校核洪水位149.35 m，下游水位为93.80 m时形成稳定渗流的下游坡；

(4)上游水位由正常蓄水位148.00 m降至130.00 m时的形成非稳定渗流的上游坡。

2.2 计算方法

依据《碾压式土石坝规范》(SL274-2001)，坝坡静力稳定计算采用刚体极限平衡法，对于稳定渗流期或水库水位降落期，采用简化毕肖普法进行稳定分析时，有效应力法抗滑稳定安全系数的公式为：

对于水库水位降落期，采用简化毕肖普法进行稳定分析时，总应力法抗滑稳定安全系数的公式为：

以上两式中：c′、φ′为有效强度指标；ccu、φcu为固结不排水总强度指标；b为土条宽度；w为土条实重；w1为在坝坡外水位以上条块实重；w1′为在坝坡外水位以上，浸润线以下条块浮重与浸润线以下条块实重之和；w2为在坝坡外水位以下的条块浮重；Z为坝坡外水位高出条块底面中点的距离；ui为水库水位降落前坝体中的孔隙水压力；u为稳定渗流期或水库水位降落期坝体中的孔隙水压力；β为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；γw为水容重。

本次坝坡稳定复核采用了GeoStudio软件中的slope模块。该程序可同时用瑞典圆弧法、简化毕肖普法算及M-P出圆弧滑裂面的安全系数，并找出相应于简化毕肖普法的最小安全系数及相应的滑裂弧位置[1-2]。

2.3 孔隙水压力的确定

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)，对于库水位为设计洪水位及校核洪水位的稳定渗流期的坝体、坝基孔隙水压力的计算可以根据渗流分析计算所得的流网来确定，即流网图中同一等势线上任意一点的孔隙水压力就等于该点到该等势线与浸润线交点的铅直水头压力。有效应力法计算上游坡稳定时，水位骤降情况下，考虑孔隙水压力的消散，利用非稳定渗流期的成果计算，孔隙水压力的确定方法同稳定渗流期[3～4]。

3 计算断面及参数的选取

3.1 计算断面的选取

根据东谷水库大坝坝体结构、工程运行状况和地质条件，坝坡整体抗滑稳定计算断面的选取与渗流安全分析所选取的断面相同，土料分区见图1。

图1 坝体计算分区图

3.2 计算参数的确定

计算参数的选取：1)砂砾石、堆石料、中细砂料及小碎石的参数采用初设报告中相应的参数，石渣混合料采用经验值；2)粘土心墙采用本次检测结果，计算参数值的选取以试验算术平均值为标准值，有效应力参数的抗剪强度标准值采用试验平均值，具体标准值见表1。

表1 坝坡稳定计算物理力学指标取值表

4 计算成果分析

根据上述原理和参数取值，大坝的坝坡抗滑稳定计算成果见表2和图5。

据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)及东谷水库水利枢纽工程建筑物等级，当大坝处于正常运用条件时，采用简化毕肖普法计算所要求的坝坡最小抗滑稳定安全系数为1.35，当大坝处于非常运用条件时，相应坝坡最小抗滑稳定安全系数为1.25。由表2可知，大坝的上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，其中下游坡最小安全系数均为1.55，因为边坡失稳都在浅层滑动中，滑动层在浸润线以上，渗流场对滑坡稳定没有影响。没有孔隙水压力上游坡最小安全系数为1.29(有效应力法)，均满足规范要求。

按简布法，正常情况下安全系数要求达到1.52，非常情况下1.30；按毕肖普方法计算，安全系数适当提高，正常情况下安全系数达到1.67，非常情况1.39。按M-P法，正常情况下安全系数达到1.55，非常情况按1.29。因此，无论是正常情况，还是非常应用情况，安全系数均满足要求。

由图5可知，上游坝坡稳定其稳定由水位骤降情况控制。水位骤降情况下，通过逐步计算瞬时渗流以及相应的安全系数，坝坡安全系数呈选减小后增大的变化规律，发现在水位下降至143.00m附近，上游坝坡安全系数最小，相应稳定系数为1.29，随着库水位骤降速度减缓，坝坡安全系数逐渐增大，达到1.60以上，并趋于平稳。因此，上游坝坡能够满足抗滑稳定要求。