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建兴水库大坝渗流计算方法及渗透指标

来源:未知 作者:小韩
发布于:2014-09-17 共2403字
论文摘要

  1 工程基本情况

  建兴水库位于四川省德阳市中江县富兴镇会棚乡,是一座拦蓄式水库,其工程任务是以灌溉为主,兼有防洪、养殖等综合功能的小(1)型水利工程。中江县距震中汶川县映秀镇不到100km,水库坝址以上集雨面积18.1km2,总库容170万m3,设计灌面4000亩,设计洪水标准为30年一遇(P=3.3%),设计洪水位596.28m,校核洪水为500年一遇(P=0.20%),校核洪水位597.18m。水库正常蓄水位594.20m,死水位583.00m。

  大坝为均质土坝,坝顶高程为597.80m,坝顶宽4.4m,最大坝高18.4m,坝顶长91.00m,基础底高程为579.40m。大坝上游坡比为1∶2.25;下游坡比为1∶2.0。工程自1960年12月建成以来,对当地的生产生活起着重大作用,同时发挥了较大的经济效益。

  据现场调查,该坝施工时为抢工期,上坝土料不均,碾压不均或不密实,加之无检测手段,导致填筑质量较差。受汶川特大地震影响,坝脚及放空洞出现5处涌水点且有明显浑水流出。2008年7月,据钻孔揭露:坝体填料为黄褐色粘土夹块碎石,粘土呈可塑—硬塑状,碎石、角砾及砂约占15%~20%。压水试验表明,渗透系数K变化较大,从1.38×10-5cm/s~2.23×10-4cm/s,说明坝体均匀性较差,渗透系数平均值为1.30×10-4cm/s大于10-4cm/s,不满足规范要求。

  工程于2009年进行加除险加固整治,其渗渗整治措施为:坝体充填灌浆,坝基帷幕灌浆。灌浆沿坝轴线布孔,分三序钻灌,施工时严格质量控制,灌浆防渗体渗透系数要求小于10-4cm/s,达10-5cm/s左右。经过多年运行,渗漏整治效果良好。

  2 大坝渗流计算方法及渗透指标

  2.1 计算公式

  对于符合达西定律的二向均质、各向同性土体的渗流,当土体已完全固结时,其水头函数符合拉普拉斯方程式:【1】
  
论文摘要
  z:坐标位置高程q:自由面下降或上升时从自由边界流入或流出渗流场的单宽流量
  
  2.1.1 计算断面。依据大坝现场安全检查情况,大坝渗流计算选取实测的老河床断面进行验算,此断面也为最大坝高断面,分析认为采取此断面进行渗流分析计算,基本可反映整个大坝的渗流性态。

  2.1.2 材料分区及渗透系数。断面的材料分区是以土工试验及大坝质量评价为基础,并结合现场检查和多年运行情况来确定。整治前坝土体分区主要为坝体填土及排水棱体,整治后坝土体分区主要为坝体填土、灌浆防渗体及排水棱体。

  本次渗流计算,各分区渗透系数取值采用室内土工试验成果并结合工程经验选取,综合施工会议及运行期大坝质量检查而确定。各分区的渗透系数取值详见表1:【表1】

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  2.2 荷载组合

  根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)及《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)的规定,土坝渗流计算应考虑水库运行中出现的不利条件,本次渗流计算中考虑了下列水位组合:(1)上游校核洪水位与下游相应水位;(2)上游设计洪水位与下游相应水位;(3)上游正常蓄水位与下游相应水位;(4)上游校核洪水位降至正常蓄水位;(5)上游正常蓄水位降至死水位。

  根据建兴水库水文复核计算的结果,正常蓄水位为594.20m,设计洪水位为596.28m,校核洪水位为597.18m。

  根据溢洪道泄洪能力,上游校核洪水位降至正常蓄水位经历时间最短为6小时;根据放水洞放水能力及春灌的实际情况,上游正常蓄水位降至死水位最短历时25天。

  3 大坝灌浆整治前后渗流计算成果

  3.1 灌浆整治前渗流计算

  按上述五种工况进行大坝渗流计算,工况(1)至工况(3)下游坝坡出逸坡降0.45,计算单宽渗流量0.395~0.731m3/d,工况(4)至工况(4)上游坝坡出逸坡降0.41。通过对建兴水库大坝渗流状况的现场检查和渗流理论计算结果分析,得出如下结论:

  (1)各种计算工况下,计算单宽流量大坝为0.395~0.731m3/d.m,大坝总体渗漏量偏大。渗流计算结果与现场调查情况及土工试验是基本一致,即大坝填筑质量差,渗透系数偏高(大于规范允许值),渗漏量偏大,因此大坝有必要进行防渗整治。

  (2)据大坝渗流分析,在稳定渗流工况下,在设计洪水位及校核洪水位情况下,浸润线位置距离坡面非常接近,对大坝稳定不利。在前述各工况下,计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41。计算断面在下游坝坡最大出逸坡降值为0.45,经验渗透坡降允许值0.46,两者仅相差0.01。应对下游坝坡加以整治,满足坝坡渗透稳定性要求。

  3.2 灌浆整治后渗流计算

  根据大坝灌浆整治前渗流计算分析结论,结合大坝稳定分析及综合经济指标分析,工程防渗整治方案选用坝体充填灌浆、坝基帷幕灌浆。灌浆孔沿坝轴线布置,钻灌深度至弱风化层以下5.0m。

  采用同样的计算方法对灌浆整治后的大坝进行计算,计算工况与灌浆整治前工况相同。经计算,工况(1)至工况(3)下游坝坡出逸坡降0,即未在坝坡出逸。计算单宽渗流量0.02~0.04m3/d,工况(4)至工况(4)上游坝坡出逸坡降0.41。

  通过对建兴水库大坝灌浆整治后渗流计算结果分析,得出如下结论:

  (1)灌浆整治后各种计算工况下,计算单宽流量大坝为0.0038~0.0128m3/d.m,大坝渗漏量仅为灌浆整治前0.01~0.02,渗漏量大大减少。

  (2)据大坝渗流分析,在前述各工况下,大坝后坝坡浸润线高度大幅降低,出逸点位于棱体处。在前述各工况下,计算断面在上游坝坡最大出逸坡降值为0.41,下游坝坡最大出逸坡降值为0,经验渗透坡降允许值0.46,二者均满足规范规定。

  4 结语

  对比分析灌浆整治前及灌浆整治后的两种计算结果,可以看出采用灌浆方案对大坝实施整治是合理可行的。

  (1)灌浆整治前大坝填筑质量差,渗透系数偏高(大于规范允许值),渗漏量偏大。采用灌浆方案后有效地解决了大坝渗漏量偏大的问题,弥补了大坝碾压不密实导致渗透系数偏大的不足。

  (2)灌浆整治前设计洪水位及校核洪水位情况下,浸润线位置距离坡面非常接近。采用灌浆整治后大坝浸润线高度大幅降低,有效的解决了渗透稳定问题,且对大坝后坝坡稳定有利。

  参考文献
  
  [1] 碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)[S].
  [2] 顾慰慈.土石(堤)坝的设计与计算[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
  [3] 毛昶熙,等.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

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