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南沙河水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)安全分析

文檔作者：劉濤1 2 文檔來(lái)源： 1．山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 2．太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(kù)大壩結(jié)構(gòu)安全分析
劉 濤1，2
(1．山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(kù)的工程概況，分別對(duì)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(jiǎn)化畢肖普法，利用有限元方法計(jì)算公式對(duì)壩體進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，結(jié)果表明，南沙河水庫(kù)大壩
結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患，建議盡早對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。
[關(guān)鍵詞]南沙河水庫(kù)；大壩；變形；穩(wěn)定
[中圖分類(lèi)號(hào)]TV641．2+2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]c [文章編號(hào)]1004—7042(2012)11—0029-02
1 工程概況
南沙河水庫(kù)屬小(一)型水庫(kù)。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(zhǎng)220 m，無(wú)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(zhǎng)19．5 m，每孔凈寬
2．4 m，墩高O．7 m，拱高0．7 in，出口無(wú)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(wú)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(zhǎng)約65．0 m，設(shè)計(jì)
最大流量40m3／s。
2 大壩變形分析
經(jīng)鑒定，南沙河水庫(kù)大壩施工質(zhì)量不合格。壩體
填土過(guò)程中對(duì)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(wú)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(wú)現(xiàn)場(chǎng)干
容重檢測(cè)，大壩回填土干密度較低且極不均勻，說(shuō)明
土壩工程質(zhì)量很差。通過(guò)探坑和探井取樣進(jìn)行土工試
驗(yàn)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(jì)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(wú)法起到排水作用。此外，壩
體中發(fā)現(xiàn)有鼠洞，對(duì)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(gè)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(wèn)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(duì)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(chǎng)檢查，沒(méi)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(kāi)，具中等透水性，級(jí)配
不良礫和砂巖巖層為庫(kù)水滲漏層位，左壩肩存在繞壩
滲漏問(wèn)題。右壩肩上部為土質(zhì)岸坡，巖體較穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)
場(chǎng)檢查，沒(méi)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(kāi)，為庫(kù)水滲漏通
道，右壩肩存在繞壩滲漏問(wèn)題。
此次水庫(kù)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(jì)壩高915 1TI。溢洪道由開(kāi)敞
式溢洪道改建為橋涵式溢洪道，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)構(gòu)斷
面尺寸基本維持原狀，沒(méi)有發(fā)生明顯變形。
庫(kù)區(qū)淤積較嚴(yán)重，目前實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)近壩庫(kù)底高程約
900 m左右，基本與泄洪洞進(jìn)口底板高程相同，庫(kù)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(jì)算工作條件
本次勘察在壩頂布置2個(gè)鉆孔，壩坡布置2個(gè)探
井，共取原狀土樣36組，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。
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(shí)，
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(jì)算方法
本次壩體穩(wěn)定計(jì)算選用北京理正軟件公司設(shè)計(jì)
的邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為圓弧
法中的簡(jiǎn)化畢肖普法，采用有限元方法計(jì)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(shí)重，kN；
，— 一在壩坡外水位以下的條塊實(shí)重，kN；
l 一穩(wěn)定滲流期或庫(kù)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(diǎn)的距離，m；
條塊的重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)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(jì)算參數(shù)確定
鑒于水庫(kù)的工程地質(zhì)特點(diǎn)，本次大壩安全復(fù)核計(jì)
算參數(shù)的選取主要根據(jù)本次對(duì)壩體挖探坑取土樣試
驗(yàn)成果資料及以往建庫(kù)經(jīng)驗(yàn)并參考有關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)
行取值，見(jiàn)表1。
表1 -I-壩穩(wěn)定計(jì)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(lèi)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(jì)算結(jié)果
由于本次復(fù)核水庫(kù)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(kù)現(xiàn)狀可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核
分析計(jì)算，即對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)用情況(庫(kù)水位為正常蓄
水位911．5 m)壩體形成穩(wěn)定滲流時(shí)上下游壩坡的穩(wěn)
定情況、非常運(yùn)行情況(庫(kù)水位從校核水位913．5 m降
落到汛限水位910．5 m)時(shí)上游壩坡穩(wěn)定情況和校核
水位913．5 m時(shí)下游壩坡的穩(wěn)定情況兩種lT況進(jìn)行分
析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 大壩穩(wěn)定分析計(jì)算成果表
豁 正常運(yùn)用情況 非常運(yùn)用情況
＼ 庫(kù)水，m 位 計(jì)值算 規(guī)值范 庫(kù)水位 計(jì)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(jì)算成果分析
本次計(jì)算主要以大壩最大剖面進(jìn)行。根據(jù)計(jì)算成
果所制的壩坡在各種情況下的滑弧圖分析可知，在庫(kù)
水位達(dá)到汛限水位910．5 m和校核水位913．5 m時(shí)，
壩內(nèi)浸潤(rùn)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(gè)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(rùn)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(jì)算結(jié)果來(lái)看，上游壩坡在正常運(yùn)用情況
和非常運(yùn)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(yùn)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(yùn)用情況下
游壩坡是不穩(wěn)定的。
4 結(jié)語(yǔ)
經(jīng)分析計(jì)算，南沙河水庫(kù)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(xiǎn)加固。
[作者簡(jiǎn)介]劉濤(1983一)，男，太原理工大學(xué)水利水電工
程專(zhuān)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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