和平水庫大壩工程特性及防滲性分析

和平水庫大壩工程特性及防滲性分析

1水庫樞紐工程和平水庫是一座小水庫。這是一項用于農(nóng)業(yè)灌溉、防洪、市政供水、發(fā)電等綜合用途的節(jié)水工程。水庫于1976年9月開工擴建,1977年10月竣工。水庫原設(shè)計按20年一遇洪水設(shè)計,200年一遇洪水校核。水庫總庫容512萬m3,有效庫容343萬m3。樞紐工程由大壩、溢洪道、放水設(shè)施、電站等組成。大壩為粘土心墻土壩,最大壩高29.45m,壩頂長150m,壩頂寬2.0m,壩頂高程729.45m。大壩上游坡比為1∶2.6～1∶3.6,下游坡比為1∶2.4～1∶3.0。溢洪道布置于左壩肩山體上游隘口,堰頂高程723.5m,堰頂寬30m。放水設(shè)施布置于左壩肩山體,由斜式梯級進水口和輸水平管組成;孔口及閘門均為混凝土結(jié)構(gòu);輸水平管總長110m,為鋼筋混凝土穿壩涵管。2水庫主要工程地質(zhì)條件及評價2.1心墻土料質(zhì)量大壩原為壩高約14m的均質(zhì)土壩,后培厚加高并設(shè)置粘土心墻而成,根據(jù)勘探成果,壩體填土為新壩殼填土、心墻和原壩體填土。心墻填土為粘土夾碎石,干～濕,硬塑～可塑狀態(tài),土質(zhì)不均勻。碎石主要為紫紅色泥巖,強風(fēng)化為主,含量約30%;心墻填土粗顆粒含量約39%,粉粒含量22%,粘粒含量39.1%,心墻土料滿足規(guī)范要求。根據(jù)土工試驗成果,新壩殼土層、心墻土層和原壩體填土多呈飽和、硬塑～可塑狀態(tài);壩體填土壓實不均勻,心墻填土整體為中等～高壓壓縮性土,新壩殼填土為中等壓縮性土,原壩體填土屬中等壓縮性土,心墻、新壩殼填土、原壩體填土的壓實度分別是93.6%～94.6%,92.6%,95.7%,《規(guī)范》要求是96%～98%。均達(dá)不到《規(guī)范》要求。浸潤線以上新壩殼填土φ′=23.6°,C′=25kPa,心墻填土φ′=22°,C′=28.81kPa;浸潤線以下新壩殼填土φ′=19.9°,C′=20.74kPa,心墻填土φ′=22.6°,C′=20.24kPa,浸潤線以上各單元填土的物理力學(xué)性質(zhì)要比浸潤線以下的好。2.2滲透系數(shù)數(shù)據(jù)分析對壩體各填土層累計進行現(xiàn)場注水試驗31段;土樣室內(nèi)滲透試驗16組。根據(jù)鉆孔注水試驗成果,浸潤線以上的新壩殼和心墻填土的滲透系數(shù)的大值平均值分別為1.29×10-3,2.69×10-3;浸潤線以下新壩殼、心墻填土和原壩體填土的滲透系數(shù)的大值平均值分別為7.63×10-4,9.62×10-4,7.10×10-4。土樣室內(nèi)滲透試驗成果,所有土樣的滲透系數(shù)K值>10-4。因現(xiàn)場注水試驗更具有真實性,故以現(xiàn)場注水試驗成果作為壩殼和心墻滲透系數(shù)K值。根據(jù)規(guī)范判別,新壩殼土體、心墻土體、原壩體土體均屬中等透水,不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)要求的小于1×10-4。2.3下伏泥巖的沉積相根據(jù)鉆孔揭露,由于清基不徹底,壩基底部殘留一層厚1.3～3.6m的沖洪積含淤泥質(zhì)粘土砂卵礫石層,該層上部淤泥質(zhì)粘土含量比下部高,灰黑色,呈可塑～軟塑狀。下伏泥巖為灰綠色、灰黃色的中厚層～厚層夾薄層狀,強～弱風(fēng)化,泥巖物理力學(xué)性比較差,屬軟巖類。根據(jù)在壩基進行的現(xiàn)場注、壓水試驗結(jié)果,含淤泥質(zhì)粘土砂卵礫石層和強風(fēng)化泥巖,滲透系數(shù)K大值平均值分別為3.96×10-3,3.05×10-3,屬于中等透水體。3水庫滲漏安全評價3.1壩體填土滲透系數(shù)值大壩為粘土心墻土壩,因大壩沒有設(shè)置測壓管,而無實測浸潤線資料。根據(jù)壩面變形調(diào)查和測量成果,樁號0+090大壩斷面為最大斷面,此斷面壩體變形嚴(yán)重,下游壩坡720m高程以上已產(chǎn)生大面積凹陷,720m高程以下坡面發(fā)生多處隆起,使設(shè)置于720m高程的馬道因受坡面隆起變形而幾乎消失。因此,本次選擇樁號0+090斷面作為計算斷面具有典型代表性。滲流計算所需的各壩體填土滲透系數(shù)值為:浸潤線以上新壩殼和心墻填土分別為1.29×10-3,2.69×10-3;浸潤線以下新壩殼、心墻填土和原壩體填土分別為7.63×10-4,9.62×10-4,7.10×10-4。3.2設(shè)計滲流方程據(jù)現(xiàn)場檢查,大壩下游壩腳排水棱體完整,排水設(shè)施運行正常,計算時按有排水棱體的心墻壩滲流模型,采用有限單元法計算。滲透有限元分析基本方程:[K]{H}+[M](?H?t)={Q}根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》,并結(jié)合大壩安全鑒定的要求,滲流計算考慮水庫運行中出現(xiàn)的各種不利組合:(1)上游正常高水位與下游相應(yīng)的最低水位;(2)上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)的水位;(3)上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位;(4)庫水位降落時對上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。3.3國家大壩的浸漬線確定(1)選擇樁號0+090斷面作為計算剖面,根據(jù)計算成果繪制庫水位724.35m時實測浸潤線,同時繪制根據(jù)土工試驗提供的滲透系數(shù)建議值計算得的相應(yīng)庫水位的浸潤線(見圖1),從圖1看出,根據(jù)土工試驗建議值計算得的浸潤線與測壓管實測浸潤線基本吻合。采用反演的方法,調(diào)整各土層滲透系數(shù),使得理論計算浸潤線與鉆孔實測浸潤線相近,推求出各土層的綜合滲透系數(shù),以此作為壩體浸潤線計算的依據(jù);(2)和平水庫大壩無實測浸潤線,典型斷面計算的最大滲壓坡降在正常水位、設(shè)計水位和校核水位工況下均小于臨界值,說明壩體滲流基本穩(wěn)定;(3)雖然壩趾設(shè)有排水堆石棱體,設(shè)有反濾層保護,但局部反濾層已經(jīng)破壞,或可能已被淤堵,大壩在滲流作用下可能會發(fā)生管涌、流土破壞。4水庫抗滑穩(wěn)定分析與評價4.1計算剖面和計算方法選擇樁號0+090斷面作為計算斷面。計算方法采用北京理正軟件的碾壓式土石壩邊坡穩(wěn)定分析軟件,按簡化畢肖普法公式進行分析計算。4.1.1有效蓄洪期和水庫水位下降期的壓力法K=∑{[Cb+(W1+W2)+γwZb?ub)tgφ]1mθ}∑(W1+W2)sinβm0=cosθ+sinθtgθK4.1.2水庫總供水能力在下降階段K=∑{[Ccub+((W?u1b)tgφcu]1mθ}∑Wsinβmθ=cosθ+sinθtgθK4.2壩高上、下游坡穩(wěn)定根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》,結(jié)合大壩安全鑒定要求,大壩抗滑穩(wěn)定分析計算考慮如下工況:(1)穩(wěn)定滲流期:正常高、設(shè)計洪水水位時的上、下游壩坡穩(wěn)定;校核水位時的上、下游坡穩(wěn)定;庫水位為壩高的1/3時的上游壩坡穩(wěn)定;(2)庫水位降落期:校核水位驟降至正常水位723.50m的上游壩坡穩(wěn)定。4.3計算參數(shù)的確定根據(jù)勘探和土工試驗成果,大壩穩(wěn)定計算力學(xué)參數(shù)見表1。4.4壩坡抗滑穩(wěn)定驗算計算成果見表2,從表2計算結(jié)果表明:在大壩的最大斷面0+090斷面,其下游壩坡在校核水位、設(shè)計水位和正常水位的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.04,1.09,1.17,小于規(guī)范要求的最小值1.15,1.25,1.25,根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》之土石壩結(jié)構(gòu)安全分級規(guī)定,和平水庫大壩結(jié)構(gòu)安全評為C級。5水庫大壩除險加固根據(jù)和平水庫大壩安全評價結(jié)論,大壩存在諸多安全隱患,水庫處于病險狀態(tài),已嚴(yán)重影響水庫的安全運行,大壩安全分類為“三類壩”,需對水庫大壩進行除險加固。根據(jù)大壩存在的主要安全隱患,及和平水庫實際情況,建議:①壩頂加寬及壩坡修整;②壩體加密及壩基防滲處理。5.1壩坡面排水系統(tǒng)由于原大壩壩頂寬度不足而高度有富余,可采取“削頂帶帽”,將壩頂寬度增加到3.5m,壩頂公路采用混凝土路面。上游壩坡按1∶2.5修整放坡后采用混凝土護面,混凝土護面護至坡腳處并設(shè)防滑齒墻。下游壩坡按原壩坡進行修整,從上至下按1∶2.4,1∶2.5,1∶3.5放坡,并加寬原馬道寬。在馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置橫向排水溝,與壩肩處縱向排水溝構(gòu)成完整的坡面排水系統(tǒng)。修整壩腳處排水棱體,更換其表層干砌石和上游側(cè)反濾料。下游壩坡采用草皮護坡。5.2防滲灌漿處理根據(jù)壩體填土物理力學(xué)性狀及滲流計算成果,為提高壩體的密實度及防滲性能,建議采用高壓擺噴灌漿的方案對大壩防滲心墻進行灌漿處理,灌漿高程范圍為壩頂往下至巖土分界線以下1m。對壩基進行防滲帷幕灌漿處理。帷幕灌漿鉆孔軸線與壩體擺噴灌漿孔軸線相同。防滲帷幕灌漿,上灌至巖土分界線,下灌至5Lu線以下3m,并與