某土石壩排水棱體整治及穩(wěn)定性分析

某土石壩排水棱體整治及穩(wěn)定性分析

0土石壩滲流問題洪水和水庫水位的穩(wěn)定一直是土石水庫研究的重點。導致土石壩滲流異常的原因可能是設計不當或后期運行過程中維護不到位,異常滲流會升高壩體浸潤線,導致下游壩坡穩(wěn)定性降低,從而對壩體的安全造成威脅。所以對于病險土石壩要及早采取相應的工程措施進行防范治理。中國的土石壩大多建設于1953—1977年,某些土石壩邊勘測、邊設計、邊施工的工作方式也就決定了其較多的遺留問題,其中因滲流問題而導致的工程事故屢屢出現(xiàn)。本文利用GeStudio2007軟件分析某土石壩整治前后3種工況下的穩(wěn)定滲流情況,討論壩體滲流和下游壩坡穩(wěn)定性情況,驗證其整治措施的有效性。1抗流和抗滑穩(wěn)定的理論1.1滲透系數(shù)的確定土石壩滲流計算的理論基礎為達西定律。達西定律的一般形式為:式中:vx,vy,vz為3個滲透主軸方向上的達西流速;kx,ky,kz為3個主軸方向上的滲透系數(shù);h為水頭函數(shù)。進而結合式:從而得到穩(wěn)定滲流的微分方程式:在本文中,將土石壩滲流問題簡化為二維滲流問題(x-z面),從而穩(wěn)定滲流微分方程式:1.2畢肖普公式抗滑穩(wěn)定理論進行抗滑穩(wěn)定性分析時,由于費倫紐斯、太沙基公式沒有考慮圓弧滑動土體土條間作用力,在工程實踐中引起了不小的爭論。畢肖普(Bishop,A.W,1955)公式是合理地考慮土條間作用力的較簡單的計算方法,因此本文在抗滑穩(wěn)定分析時采用簡化的畢肖普法。式中:Wi為土條的實際重量;c'i為黏聚力;φ'i為有效內摩擦角;ui為土條底部弧面Ii中點的孔隙水壓力;bi為土條的寬度;αi為通過土體重心的半徑與鉛垂面的夾角。2工程實例分析2.1集雨面積及確權面積某水庫1957年冬開始施工,于1959年春竣工。屬東風渠灌區(qū),水源靠雨水集蓄和渠道輸水,集雨面積4.78km2,庫容為188.49m3,興利庫容為133.44萬m3,死庫容1.2萬m3;確權面積41.27hm2,其中水面面積30.67hm2。大壩為均質土壩,最大壩高12.5m,壩頂長163.5m,壩頂寬5m,壩頂高程474.38m。2.2壩體安全性提升整治前后該土石壩的最大剖面如圖1,2所示,為有效解決該土石壩滲流及下游壩坡穩(wěn)定安全問題,采取了削坡及拆除原有失效排水棱體的工程措施,下游壩坡中浸潤線的高度得到了有效地降低,從而提高了壩體安全性。2.3未考慮壩基的滲透率進行二維有限元計算分析時選取的最大剖面如圖1,2所示,分析中未考慮壩基的滲透性(假設壩基為不透水層)。采用GeoStudio中的SEEP/W和SLOPE/W模塊分別分析壩體滲透和壩坡抗滑穩(wěn)定性。2.4室內滲透試驗計算分析中,各壩體材料的密度通過密度試驗測得;心墻料、壩殼料的飽和滲透系數(shù)可通過室內滲透試驗測得,并采用試驗所得的滲透系數(shù)平均值作為分析時的滲透參數(shù);而排水棱體的滲透系數(shù)則依據(jù)經驗進行取值(取c=0,φ=35°);抗剪指標由非飽和固結快剪和飽和固結快剪試驗測得,各參數(shù)的取值詳見表1。2.5計算分析時模型建立利用Geo-Studio中的SEEP/W模塊對該土石壩整治前后最大剖面(見圖1,2)進行計算分析,計算時對剖面進行自由網格剖分。計算分析時模型邊界條件的設定為:上游水位以下設為定水頭邊界,以上為不透水邊界。排水棱體以下設為可變邊界,以上設為不透水邊界,其余均設為不透水邊界。有限單元網格剖分及邊界條件如圖3所示。2.6壩體穩(wěn)定滲流計算計算時,著重分析水庫正常運用(正常蓄水和設計洪水)和非常運用(校核洪水)時壩體的穩(wěn)定滲流。計算工況如下:(1)上游正常蓄水位473.15m,下游無水時壩體的穩(wěn)定滲流;(2)上游設計洪水位473.50m,下游無水時壩體的穩(wěn)定滲流;(3)上游校核洪水位474.10m,下游無水時壩體的穩(wěn)定滲流。2.7抗滑穩(wěn)定性分析壩坡抗滑穩(wěn)定分析時選取的剖面與滲流計算時選取的剖面相同,基于Geostudio2007的SLOPE/W模塊,結合有效應力法對下游壩坡在整治前后分別進行抗滑穩(wěn)定性分析(所需的孔隙水壓力值為滲流計算所得的孔隙水壓力值)。3計算結果和分析圖4和5分別列出了整治前后3種工況下浸潤線位置及孔隙水壓力分布。3.1單寬滲透流量隨水位的變化3種工況下整治前后壩體的單寬滲流量如表2所示。從表2中可以看出,在整治前后,3種工況下的單寬滲透流量均隨著水位的升高而增大。由于整治前排水棱體失效,導致滲流量較小,而整治后單寬滲流量較整治前雖略有增加,但依然控制在較安全的范圍內。3.2穩(wěn)定安全系數(shù)最小允許值該土石壩的建筑物等級為3級,從而由SL274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》可知:(1)正常運用條件下,壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小允許值為1.3;(2)非常運用條件下,最小允許值為1.2。3種工況下整治前后的下游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)及允許值如表3所示。從表3中可看出,3種工況下整治前的最小安全系數(shù)Kmin均未達到規(guī)范要求的安全系數(shù)允許值[K],而整治后最小安全系數(shù)Kmin均滿足了規(guī)范要求,說明所采取的削坡、重建排水棱體的措施對減小壩體滲流,提高壩坡穩(wěn)定的效果顯著。3.3種穩(wěn)定滲流工況下排水棱體排水棱體特性分析3種工況下整治前后滲流出逸處的水力坡降如表4所示。從表4中可以看出,在整治前后,水位升高都會導致出逸處水力坡降增大,但是整治前在3種穩(wěn)定滲流工況下,浸潤線在下游排水棱體出逸處的水力坡降都比《水利水電工程地質勘察規(guī)范GB50287-99》附錄M表M中的無黏性土允許坡降值最大值0.25大,則排水棱體將很有可能發(fā)生滲透破壞。而整治后在3種穩(wěn)定滲流工況下,浸潤線在下游排水棱體出逸處的水力坡降都比《水利水電工程地質勘察規(guī)范GB50487-2008》附錄G表G.0.7中的無黏性土的允許坡降值最小值0.15小,則排水棱體不會發(fā)生滲透破壞。4壩體單寬滲流量過本文通過運用GeoStudio2007對某土石壩削坡和重建排水棱體的工程整治前后3種穩(wěn)定工況進行滲流和壩坡抗滑穩(wěn)定分析,得出如下結論:在工程整治前,由于下游壩坡坡度較大及排水棱體失效,壩體單寬滲流量較小,與此同時下游壩體內浸潤線位置較高,下游壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)在3種工況下都不滿足規(guī)范要求。通過削坡、重建排水