邢台市某土石坝坝体结构设计及渗流稳定分析

姚 浩，刘 莹，申智鹏

（黑龙江大学水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

土石坝结构简单,设计方便,造价经济,是应用最为广泛的一种坝型,但因土石坝建坝材料的影响,渗流稳定问题一直影响着土石坝的稳定性,由于渗流问题而导致土石坝失事的事故频频发生,所以合理、准确地对土石坝渗流及坝坡稳定性进行分析极为重要[1]。邢台市某水库位置在内丘县北方,建在李阳河的一条支流上,水库主要构造有溢洪道,大坝主体和放水洞,溢洪道与大坝相距50 m,位于坝体左岸,放水洞布置在距坝底1.5 m处的坝体中间,用钢筋混凝土建造,大坝主体为粘土心墙土石坝,本文采用理正岩土计算6.5 PB3版,采用简化毕肖普法对坝坡稳定进行分析计算,讨论坝体渗流和坝坡稳定性问题。

1 坝体结构

本次设计粘土心墙土石坝坝顶高程14.2 m,坝顶宽6 m,坝顶不设防浪墙,上游坝坡坡度1∶2.7,下游坝坡坡度1∶2.5。坝体防渗采用粘土心墙,坝基为透水性较弱的片麻岩,岩石种类单一,强度较好,没有发现断层构造,未发现较大裂缝,裂缝相互独立,无水流交换,透水性较弱,故不设防渗帷幕。粘土心墙顶宽3 m,两侧坡比1∶0.2,心墙外设保护层和过渡层。上下游坝坡均设置0.3 m厚干砌石护坡,护坡下设两层0.2 m厚的反滤层。下游坝脚采用棱体排水,棱体宽1 m,高1 m,上游坡度为1∶1.5,下游坡度为1∶2,为满足渗流要求,棱体上游坡脚应为锐角。

图1 粘土心墙土石坝最大剖面图

1.1 护坡

土石坝上游坝坡因经常遭受波浪冲刷和水位变化的影响,下游坝坡遭受雨水冲刷和植被破坏,需在两侧坝坡设置护坡以保护坡面,防止发生破坏。

上游护坡因长时间浸泡在水里,需考虑其防渗性,应合理选择干砌石的直径和布置厚度。在最大局部波压力作用下的直径D（换算为球形直径）、重量Q和厚度t由下式计算：

式中：γk、γ为石块的容重和水的容重,km/m3；m为坝坡坡率；h为设计爬高,取累计频率P=5%的爬高；K为随坡率变化的系数。

经计算,上游设置0.3 m厚的干砌石护坡,可以增加坝坡稳定性,防止坡面因冲刷而导致坝体失稳。影响下游护坡工作的因素较少,布置方式与上游坝坡相同,设置0.3 m厚干砌石护坡,防止雨水、动物、人类活动等的影响。

1.2 坝顶布置

坝顶宽6 m,表面铺设黄泥灌浆碎石,厚0.2 m,此时坝顶高程为14.2 m,坝顶表面为排放雨水,表面坡度为2%。坝面排下的雨水需要集中到排水沟中,排水沟尺寸取0.2 m×0.2 m,排水沟外侧应修建砂浆石围墙用以围挡雨水,墙高0.5 m,厚0.3 m。为将排水沟中的水排出,排水沟侧面需设置一孔,排水孔每30 m设一个。

图2 坝顶结构图

1.3 坝脚排水

土石坝渗流问题是很重要的一个问题,为保证坝体稳定性,坝体内外的水需及时排出,在坝脚也需设置排水设施以排出汇流的水,以防冰冻破坏。下游排水体应能满足水流自由流出的要求,使坝体内排出的水流能流到下游,排水体还应起到防止土体流失的作用以防发生堵塞[2]。本次采用棱体排水,上游侧与坝体接触处需设置反滤层,棱体排水的主要优点是可降低浸润线。棱体宽1 m,高1 m,上游坡度为1∶1.5,下游坡度为1∶2,为满足渗流要求,棱体上游坡脚应为锐角。反滤层设计又满足保护坝体土体的作用,土料粒径应沿渗流方向逐步增大,本次采用粗砂、中砂、细砂作为反滤层材料,每层铺设10 cm。

图3 棱体排水

1.4 坝面排水

坝面排水主要处理坝面、坝坡及两岸的雨水,维持坝坡稳定,坝坡排水沟之间要相互连接,构成整体,与坝轴线平行的排水沟应设置成阶梯型以减缓水流流速,垂直方向的排水沟每50 m设置一条,排水沟深0.3 m。

图4 坝面排水

2 坝体渗流分析

坝壳料采用砂砾料填筑,渗透系数为4.7×10-5m/s,天然密度为1.90 g/cm3,干密度1.72 g/cm3；防渗体采用粘土填筑而成,渗透系数为6.5×10-7m/s,含水率为12.5%,天然密度为1.82 g/cm3,干密度为1.62 g/cm3。

2.1 渗流量计算

在计算时,将心墙等效为矩形,运用达西定理,解出防渗体的渗流问题,防渗体上游近似认为水头无损失,假定坝的上下游水位即为心墙的水位,总渗流量按河床中间断面的平均进行计算[3]。

图5 渗流计算简图

渗流计算需考虑以下三种工况：

（1）上游正常蓄水位11.0 m,下游无水时,此时的大坝渗透坡降最大。

（2）大坝上游为设计洪水位12.16 m,下游水位为0.2 m时,此时大坝浸润线较高,渗流量大。

（3）大坝上游为校核洪水位12.96 m,下游水位为0.3 m时,此时大坝浸润线最高,渗流量最大。

在计算渗流总量时,我们使用垂直线将大坝分成如图所示的若干部分,然后计算每一个剖面的单宽渗流量,并乘以相应的长度求出大坝的总渗水量,公式如下：

式中：L1、L2……Ln为各段坝长,m；q1、q2……qn为各断面处的单宽渗流量,m3/（s·m）。

图6 总渗流量计算简图

计算结果见表1。

表1 渗流量计算成果表

2.2 渗流稳定计算

渗流稳定根据《水力学计算手册》第二版计算,建坝所需沙砾料容许水力比降为0.43,逸出点水力比降由式J=ΔH/d计算,式中

经计算,上游水位分别为正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位时,渗流逸出点的水力比降分别为0.36、0.357、0.355,均小于容许比降0.43,满足要求,大坝渗透变形稳定安全。

3 坝坡稳定分析

土石坝因截面较大,发生滑动失稳的概率较小,主要考虑其坝坡的稳定,需要计算上游和下游坝坡的稳定系数,和规定安全值比较是否符合设计要求。土石坝稳定分析是为了寻找一个最小滑动面,和规范规定的安全系数比较判断是否满足要求,以此来判断我们的设计尺寸是否合理[4],因土石坝坝坡上可能有很多滑动点,所以需要确定不同的高程进行稳定计算,根据各点的稳定性,来判断整个坝坡的稳定。

计算采用理正岩土计算6.5 PB3版,采用简化毕肖普法,根据场地所处区域地质勘探资料,依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）,该地为中软场地土,类别为Ⅱ类。地震设防烈度为7度,裂度较低,不考虑地震影响,计算参数见表2。

表2 材料参数表

计算结果见表3。

表3 坝坡抗滑稳定分析结果

各工况坝坡稳定性均满足要求。

4 结论

土石坝的渗流及稳定分析是土石坝安全校核的一个重要问题,目前国内土石坝工程已经基本进入除险加固阶段,本文通过对邢台市某土石坝结构设计及渗流稳定的分析,得出该土石坝渗流和稳定均满足设计要求,该方法可用于土石坝的渗流稳定分析,能够为今后水利工作人员计算土石坝渗流问题提供便利。

土石坝因其结构简单、施工方便而成为应用最为广泛的坝型,但因建坝材料的影响,土石坝稳定性不强,失事概率高,因此在施工之前必须对土石坝的渗流及稳定进行严格计算,确保坝体满足设计要求,减少土石坝失事频率。