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南沙河水庫大壩結(jié)構(gòu)安全分析

文檔作者：劉濤1 2 文檔來源： 1．山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 2．太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月23日
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山西水利量魯
技術(shù)與應(yīng)用·2012年第11期
南沙河水庫大壩結(jié)構(gòu)安全分析
劉 濤1，2
(1．山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原030024；2．太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024)
[摘要]介紹了南沙河水庫的工程概況，分別對大壩壩體、上下游壩坡、溢洪道、泄洪洞、壩肩的變形情況進(jìn)行
分析，并采用簡化畢肖普法，利用有限元方法計算公式對壩體進(jìn)行穩(wěn)定分析計算，結(jié)果表明，南沙河水庫大壩
結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患，建議盡早對其進(jìn)行除險加固。
[關(guān)鍵詞]南沙河水庫；大壩；變形；穩(wěn)定
[中圖分類號]TV641．2+2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]c [文章編號]1004—7042(2012)11—0029-02
1 工程概況
南沙河水庫屬小(一)型水庫。樞紐工程包括大
壩、溢洪道和泄洪洞工程。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高
33 m，壩頂寬18 m，壩長220 m，無排水設(shè)施。溢洪道
位于大壩左端，為橋涵式溢洪道，進(jìn)口由4孑L橋式涵
洞組成，進(jìn)口底高程912 m，涵洞長19．5 m，每孔凈寬
2．4 m，墩高O．7 m，拱高0．7 in，出口無消能設(shè)施。泄洪
洞位于大壩右端，鋼筋混凝土箱式涵洞，斷面尺寸
2．2 mx2．2 m，為無控制的自由泄水，進(jìn)口底高程900 m，
出口底高程898．7 m，縱坡為2％，洞長約65．0 m，設(shè)計
最大流量40m3／s。
2 大壩變形分析
經(jīng)鑒定，南沙河水庫大壩施工質(zhì)量不合格。壩體
填土過程中對上壩土料的鋪墊厚度及碾壓次數(shù)控制
不嚴(yán)格，且常有凍土埋人，無灑水、刨毛程序，填土干
容重各部位和層次差別較大，孔隙率較高，無現(xiàn)場干
容重檢測，大壩回填土干密度較低且極不均勻，說明
土壩工程質(zhì)量很差。通過探坑和探井取樣進(jìn)行土工試
驗分析，土壩干密度低，平均僅1．53 g／cms。壩體土主
要為低液限粉土，局部為低液限黏土，土質(zhì)不均勻，干
密度偏低，多具中等壓縮性，部分壩體土具濕陷性，壩
體質(zhì)量較差。本次校核，壩坡較原設(shè)計變形嚴(yán)重，壩體
上游壩坡基本完好，下游壩坡雜草叢生，垃圾成堆，而
且縱橫排水系統(tǒng)已損壞，無法起到排水作用。此外，壩
體中發(fā)現(xiàn)有鼠洞，對大壩穩(wěn)定不利，壩基未做任何防
滲處理，有滲漏現(xiàn)象。
溢洪道出口段為土渠，抗沖刷能力弱，易形成沖
刷坑，而且現(xiàn)有溢洪道出口處泄洪不暢，有1個孔及
溢洪道部分被垃圾完全堵塞，影響正常泄洪。
泄洪洞埋置于壩體內(nèi)，箱涵多處損壞，混凝土受
損剝離，鋼筋外露，存在漏水問題。漏水有可能沿泄洪
洞洞身與壩體土接觸處滲流，壩體土存在接觸沖刷隱
患，對壩體穩(wěn)定不利。
左壩肩上部為土質(zhì)岸坡，巖體穩(wěn)定性較好，經(jīng)現(xiàn)
場檢查，沒有發(fā)現(xiàn)不良現(xiàn)象。因左壩肩巖體中節(jié)理裂
隙較發(fā)育，且有不同程度的張開，具中等透水性，級配
不良礫和砂巖巖層為庫水滲漏層位，左壩肩存在繞壩
滲漏問題。右壩肩上部為土質(zhì)岸坡，巖體較穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)
場檢查，沒有發(fā)現(xiàn)不良現(xiàn)象。因右壩肩砂巖巖體中節(jié)
理裂隙較發(fā)育，且有不同程度的張開，為庫水滲漏通
道，右壩肩存在繞壩滲漏問題。
此次水庫變形復(fù)核結(jié)果表明，大壩壩頂南高北
低，高程在913．5～919．7 m，大壩中間段高程915．1～
915．5 m，基本維持原設(shè)計壩高915 1TI。溢洪道由開敞
式溢洪道改建為橋涵式溢洪道，經(jīng)現(xiàn)場測量，結(jié)構(gòu)斷
面尺寸基本維持原狀，沒有發(fā)生明顯變形。
庫區(qū)淤積較嚴(yán)重，目前實測庫區(qū)近壩庫底高程約
900 m左右，基本與泄洪洞進(jìn)口底板高程相同，庫區(qū)淤
積厚達(dá)7．5 m左右。
3 大壩穩(wěn)定分析
3．1 穩(wěn)定計算工作條件
本次勘察在壩頂布置2個鉆孔，壩坡布置2個探
井，共取原狀土樣36組，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗。
顆粒組成：壩體土屬粉土，干密度1．53 vCcm，，最
小值1．29 g／cm3，土粒比重2．70，其天然含水率7．9％～
25．5％，平均值17．4％。從防滲能力考慮，滲透系數(shù)平
均1．80xlO-s em／s，大值平均值4．03xlO-5 cm／s，為弱透
水性。孔隙比均值0．707，壓縮系數(shù)均值0．23 MPa-t，具
璺 旦圓
中等壓縮性。
壩體土在一定水力坡降下，發(fā)生滲透變形，形式
為流土，其允許坡降確定為：當(dāng)滲流自下而上滲出時，
臨界坡降‘，按下式確定：
．，臨界：(Gr-1)×(1一n)．
式中：G廣土粒比重，取2．70；
n— —孔隙率，取41．4％。
將數(shù)值代人上式得Ja~=0．996，安全系數(shù)為2．0，
貝U．，允許=0．498。
3．2 穩(wěn)定計算方法
本次壩體穩(wěn)定計算選用北京理正軟件公司設(shè)計
的邊坡穩(wěn)定分析計算軟件進(jìn)行計算，計算方法為圓弧
法中的簡化畢肖普法，采用有限元方法計算公式和穩(wěn)
定滲流期有效應(yīng)力法，具體公式為：
ΣIc'b+I(w 2)+ zb-／xbJ~tg~b )
Σ( )sin／3
式中： ——壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)；
6——條塊寬度，rn；
— — 在壩坡外水位以上的條塊實重，kN；
，— 一在壩坡外水位以下的條塊實重，kN；
l 一穩(wěn)定滲流期或庫水位降落期壩體或地基
中的孔隙水壓力，kPa；
z— — 壩坡外水位離條塊底面中點的距離，m；
條塊的重力線與通過此條塊底面中點的
半徑之間的夾角，。；
_一水的重度，kN／m3；
c ， —— 土的抗剪指標(biāo)。
3-3 穩(wěn)定計算參數(shù)確定
鑒于水庫的工程地質(zhì)特點，本次大壩安全復(fù)核計
算參數(shù)的選取主要根據(jù)本次對壩體挖探坑取土樣試
驗成果資料及以往建庫經(jīng)驗并參考有關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)
行取值，見表1。
表1 -I-壩穩(wěn)定計算物理力學(xué)指標(biāo)采用值
＼ 參數(shù) 干容重 濕容重 飽和容重 凝聚力 內(nèi)摩擦角 滲透系數(shù)
類別＼ ／(kN-m ) ／(kN-m 3) ／(kN·m0) ／kPa ／(cm os-1)
壩體土 153 18．7 19．96 15．5 23．0 1．80x10
淤積土 12．9 16．O 18-32 9．5 8．5 2．14x10。4
壩基砂礫層 18．73 19．1 20．5 O 30．5 】．97~10-z
3．4 壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果
由于本次復(fù)核水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)部頒標(biāo)準(zhǔn)，故本
次大壩壩坡穩(wěn)定復(fù)核以水庫現(xiàn)狀可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核
分析計算，即對水庫正常運用情況(庫水位為正常蓄
水位911．5 m)壩體形成穩(wěn)定滲流時上下游壩坡的穩(wěn)
定情況、非常運行情況(庫水位從校核水位913．5 m降
落到汛限水位910．5 m)時上游壩坡穩(wěn)定情況和校核
水位913．5 m時下游壩坡的穩(wěn)定情況兩種lT況進(jìn)行分
析計算。計算結(jié)果見表2。
表2 大壩穩(wěn)定分析計算成果表
豁 正常運用情況 非常運用情況
＼ 庫水，m 位 計值算 規(guī)值范 庫水位 計值算 規(guī)值范
正常水位 校核水位913．5
上游壩坡 9l1 3．139 1_26 驟降到汛限水位 3．8 1．16
．5 91O
．5
下游壩坡 正常水位 1
．911 11 1．26 校核水位 913．5 1．096 1．16
．5
3．5 壩坡計算成果分析
本次計算主要以大壩最大剖面進(jìn)行。根據(jù)計算成
果所制的壩坡在各種情況下的滑弧圖分析可知，在庫
水位達(dá)到汛限水位910．5 m和校核水位913．5 m時，
壩內(nèi)浸潤線在下游后壩坡出逸，到下游坡腳剩余水頭
最大為0．421，但水力坡降為0．864，遠(yuǎn)大于壩體土允
許水力坡降0．498。其原因有以下幾個方面：一是壩體
土填筑質(zhì)量較差，壩體土干密度較小，滲透系數(shù)較大；
二是壩基座落在砂礫石層上，其滲透系數(shù)較大，約是
壩體土的480倍，由于下游排水不暢，導(dǎo)致浸潤線以
下壩體土處于飽和狀態(tài)，相應(yīng)抬高壩址區(qū)地下水位。
從壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果來看，上游壩坡在正常運用情況
和非常運用情況抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)分別為
3．139和3．8，滿足規(guī)范要求；下游壩坡在兩種運用情
況抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)分別為1．1 1和1．096，均
不滿足規(guī)范要求，因此大壩在正常和非常運用情況下
游壩坡是不穩(wěn)定的。
4 結(jié)語
經(jīng)分析計算，南沙河水庫大壩壩基存在嚴(yán)重的滲
透變形隱患，壩體施工質(zhì)量較差，下游壩坡不穩(wěn)定，且
由于亂倒垃圾，已失去原有壩型，存在高水位情況下
因壩基滲透破壞造成的壩體失穩(wěn)隱患，建議盡早進(jìn)行
除險加固。
[作者簡介]劉濤(1983一)，男，太原理工大學(xué)水利水電工
程專業(yè)碩士研究生在讀。
[收稿日期]2012—09—12；[修回日期]2012～10—24

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