尚希庄水库大坝稳定分析(1).doc

尚希庄水库大坝稳定分析高胜利（水利部山西水利水电勘测设计研究院，太原030024）摘要：尚希庄水库是山西省引黄工程北干线上的一座重要的年调节水库，水库的安危直接关系到尚希庄村和附近人民群众生命财产的安全，影响山西的经济发展。文中对大坝的渗流与坝坡稳定分别进行了计算。分析认为，尚希庄水库大坝边坡设计合理，渗透稳定满足要求；库区防渗膜失效的情况下渗漏量比较大，因此水库必须做好防渗工作，以绝后患。关键词：坝体渗流；边坡稳定性；坝体安全中图分类号：TV222 文献标识码：B1水库工程概况 尚希庄水库是万家寨引黄工程北干线上的一座年调节水库，主要任务是在万家寨水库不引水时向大同和怀仁供水，同时拦截泥沙；当输水线路因意外事故而被迫中断供水时能利用其调蓄能力对山阴、怀仁持续供水。尚希庄水库位于朔州市怀仁县新家园乡尚希庄村南，库区南临左云沙河二级公路，西临大运二级公路和G208国道，东距北同蒲铁路5km，交通方便。库址位于输水线路上，为半挖半填的平原围封水库。水库总库容1 055万m3，调蓄库容1 005万m3，死库容50万m3。为中型水库。枢纽工程包括大坝、进水口、出水口、山阴供水口以及洪灌渠道等。尚希庄水库平面呈东北西南向的椭圆形状，长约1 600m，宽约1 000m，库区总占地面积182.73万m2。水库大坝环型布置，坝轴线总长4 453.18m，坝型为碾压均质土坝，采用复合土工膜全库盆防渗。水库最高蓄水位1 118.30m，坝顶高程1 119.87m，防浪墙顶高程1 121.07m，坝顶宽6.0m，最大坝高17.06m，上游坝坡1:2.5，下游坝坡1:2.0。开挖余土作为压重填筑在下游坝坡，填土顶宽25m，边坡1:3.0。坝基由上至下依次为：低液限粉土、低液限黏土、卵石混合物及级配不良砂等。水库进水口布置在大坝临近公路、靠近引黄北干输水线路一侧，位于大坝桩号3+384处。入库设计流量7.7m3/s，入库水流消能形式采用陡坡消力池。水库出水口布置在库区东北侧、地形较低的位置，位于大坝桩号1+270处。出库设计流量7.3m3/s，采用坝下廊道内套管形式与下游引黄北干输水线路相接，出水管DN2200钢管，出水线路上坝前设检修阀、坝后设工作阀、流量计。山阴供水口布置在库区西南角，位于大坝桩号4+220处。出库设计流量0.6m3/s，供水管为DN800球墨铸铁管，采用坝下廊道内套管形式与下游引黄北干输水线路相接，供水线路上坝前设检修阀、坝后设工作阀。大峪河的支流石头河，由东北向南西方向穿过库区，呈树枝状展布。主河道即为大峪河灌区的东干渠，各枝杈为支渠，渠道为清洪两用灌溉渠道，建坝后渠道需从库外绕行，根据地形条件，洪灌渠从大坝北侧绕至库区东侧与原渠道相接。洪灌渠道同时作为大坝外坡脚下的排水沟，其设计流量为50 m3/s。洪灌渠道长度2 544m，梯形断面，浆砌石防护。2坝体及坝坡稳定分析尚希庄水库的运行方式：每年的10月至次年的7月蓄水，最高蓄水位1 118.30m；每年的8、9月，给大同方向供水，水库水位由最高蓄水位1 118.30m降至坝前死水位1 108.80m，平均降速0.32m/d。2.1计算条件及参数选择依据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001），结合本调蓄水库的运行特点，尚希庄水库大坝抗滑稳定计算应考虑以下三种工况：工况一：水库位于最高蓄水位1 118.30m时，核算大坝上、下游坝坡的稳定；工况二：水库水位降落时核算上游坝坡的稳定；工况三：水库最高蓄水位（1 118.30m）遭遇度地震时的上、下游坝坡的稳定。计算典型设计断面选择最大坝高断面，具体为：尚0+341。坝体稳定计算土力学指标见表1。表1 尚希庄水库坝体稳定计算土力学指标表材料干容重d/（kN/m3）饱和容重s/（ kN/m3）黏聚力C/（kPa）内摩擦角/（）坝体填土17.220.815.228粉土质砂14.819.211.8629.8低液限粉土14.418.915.328.2低液限黏土14.218.816.526.9卵石混合土16.520.11.228.6坝后填土14.218.811252.2计算方法及允许抗滑安全系数的选取抗滑稳定计算采用北京理正软件设计研究院编制的稳定计算分析软件（理正岩土5.0版），计算方法采用计及条块间作用力的简化毕肖普法。尚希庄水库大坝为2级建筑物，依据碾压式土石坝设计规范，正常运用条件坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.35；与地震组合的非常运用条件坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15。设计地震烈度度。2.3计算结果按以上的计算参数以及最大坝高坝体断面计算，计算结果见表2。表2 抗滑稳定计算结果表运用条件上游坝坡安全系数下游坝坡安全系数正常运用工况一3.4141.443工况二1.903非常运用工况三2.9871.299由计算结果可见，各种工况坝体均满足抗滑稳定要求。2.4坝坡土工膜防渗体的稳定因筑坝土料渗透系数较大，上游坝坡采用复合土工膜防渗。复合土工膜上铺设300mm厚细砂垫层，砂垫层上铺设一层土工布反滤，土工布上铺设150mm厚预制六边形C30混凝土防护块，大坝上游坝坡1：2.5。土工膜稳定性验算，仅针对防护层、上垫层与土工膜之间的抗滑稳定，验算最不利工况为水库水位骤降。计算依据水利水电工程土工合成材料应用技术规范（SL/T22598），土工膜上反滤层透水性良好，抗滑稳定安全系数按下式计算：式中：FS安全系数，应大于1.2；土工膜铺放坡角，沿坝坡铺放，=21.8；上垫层砂与土工膜之间的摩擦角，参照相关文献资料，取27。计算结果得：FS =1.2741.20，满足抗滑稳定要求。3大坝渗流分析依据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001），结合本调蓄水库的运行特点，大坝渗流按以下二种工况计算：工况一：上游最高蓄水位1 118.30m，下游最低水位1 103.5m。工况二：库水位由最高蓄水位1 118.30m降落至死水位1 108.80m，骤降速度按0.32m/d考虑。计算选最大坝高断面及最小坝高断面进行，具体桩号：尚0+341、尚3+292。3.1渗流计算参数根据我院山西省万家寨引黄工程北干线调蓄水库初设地质勘察报告，尚希庄水库坝基主要为第四系上更统洪积地层，地层结构上部为细粒、含粗粒细粒土（低液限黏土、低液限粉土及粉土质砂），为中等透水层；下部为巨粒、含巨粒土（以卵石混合土、混合土卵石为主），为强透水层。下伏地层为第四系中更新统洪积低液限黏土，属微弱透水层，为相对隔水层。筑坝土料选用库区开挖的低液限粉土、粉土质砂及低液限黏土的混合料。坝体、坝基分区土的渗透系数k值见表3。表3 坝体、坝基分区土渗透系数k值表分 区渗透系数k/（10-5cm/s）大坝1.27坝后填土925.926地基低液限粉土50.1低液限黏土40.1粉土质砂56.9砂卵砾石4050.926坝基土的渗透变形，其中坝基细粒土、含粗粒细粒土渗透变形类型为流土，允许水力比降J允=0.45；坝基巨粒土、含巨粒土（以卵石混合土、混合土土卵石为主）渗透变形类型为管涌，卵石混合土的允许水力比降J允=0.20，混合土卵石的允许水力比降J允=0. 15。3.2计算假设计算假设上游防渗复合土工膜全部失效，由坝体防渗考虑；若相邻两地基土层渗透系数相差10倍，可视为不透水层。3.3计算方法渗流计算采用北京理正软件设计研究院编制的理正岩土计算程序5.0版进行，计算采用有限元分析法。3.4计算结果大坝渗漏流量计算结果见表4。渗透稳定计算结果见表3-3。表4 渗流量计算结果表项目最大坝高断面渗流量/(m3/dm)最小坝高断面渗流量/(m3/dm)坝轴线长度/m渗漏流量/(m3/s)浸润线逸出高程/m数值9.588912.791494453.180.3191104.737计算得尚希庄水库渗漏流量Q=0.319 m3/s，即每天渗漏量27 562m3。表5 渗透稳定计算结果表计算工况部 位计算平均比降允许比降工况一坝体出逸0.4135坝基出逸0.350.45工况二坝体出逸0.042353.5大坝渗流稳定性评价渗流稳定分析：若大坝不设防渗体，每天的渗漏量为27 562m3，作为远距离输水供水工程，如此大的渗漏量是非常不经济的，因此，对整个尚希庄水库大坝枢纽来讲，防渗尤为重要。渗透稳定分析：由计算结果可知，渗透比降未超过规范规定的允许值，所以大坝渗透稳定满足要求。作者简介：高胜利，男，1981年生，2005年毕业于河海大学农水专业，助理工程师。收稿日期：2009-01-06Analysis of Dam Stability of Shangxizhuang ReservoirGAO Sheng-liAbstract: The Shangxizhuang Reservoir is an important annual reservoir in North Main line of Wanjiazhai YRDP. this reservoirs safety and danger is directly related to ensure security of peoples life and property of Shangxizhuang and other neighbour villages and influences Shanxis economy development. In the paper, the dam seepage flow and dam slope stability are computed respectively. The analysis results indicate that the design of dam slope is reasonable, the seepage stability meets the demand, and if the geomembrane on the reservoir