陳鴻亮

（農(nóng)二師設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

恰拉水庫(kù)大壩防浪護(hù)坡的穩(wěn)定性分析

陳鴻亮

（農(nóng)二師設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

文中對(duì)恰拉水庫(kù)大壩混凝土防浪護(hù)坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，水庫(kù)大壩護(hù)坡在風(fēng)浪作用下引起破壞的主要原因是板上風(fēng)浪壓力、板下上托力和板上、板下水的靜水壓力及板自重。運(yùn)行期考慮風(fēng)浪作用時(shí)，護(hù)坡板的厚度不能滿足抵抗風(fēng)浪的要求，不能滿足抗傾穩(wěn)定要求。文中分析了致使護(hù)坡失穩(wěn)下滑的原因，并給出了解決措施。

穩(wěn)定性分析；防浪護(hù)坡；恰拉水庫(kù)

1　工程概況

恰拉水庫(kù)位于新疆天山南麓塔里木盆地東北邊緣，塔河下游“綠色走廊”上段恰拉區(qū)域，巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣境內(nèi)，距庫(kù)爾勒市120 km。該水庫(kù)是一座平原灌注式水庫(kù)，修建于1958年，改擴(kuò)建后水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容1.61×108m3，設(shè)計(jì)水位875.00 m，死水位870.20 m，壩體總長(zhǎng)28.27 km，屬大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)大壩護(hù)坡防滲結(jié)構(gòu)采用了一布一膜（膜/布=0.5 mm/200 g），現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，防凍采用苯板保溫形式。主壩B壩段護(hù)坡結(jié)構(gòu)分為3段：上部預(yù)制混凝土加糙板護(hù)坡，護(hù)坡結(jié)構(gòu)從上往下依次為C20混凝土加糙板10 cm，M5砂漿找平層2 cm，一布一膜（膜/布=0.5 mm/200 g）；中部鋼筋混凝土L型板護(hù)坡，護(hù)坡結(jié)構(gòu)從上往下依次為C30混凝土板厚20 cm，保溫苯板厚6 cm，一布一膜；下部現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，護(hù)坡結(jié)構(gòu)從上往下依次為C20混凝土板厚15 cm，保溫苯板厚4 cm，一布一膜，坡腳設(shè)有混凝土阻滑墻。

2005年6月25日，恰拉水庫(kù)新建壩段（B壩段）蓄水位872.70 m（素混凝土護(hù)坡段分離縫以下0.3 m），早8時(shí)左右遭遇大風(fēng)，風(fēng)速為23～24 m/s。此情況下，水庫(kù)B壩2+080～4+860 m壩段的部分現(xiàn)澆素混凝土板中的第一塊被風(fēng)浪掀起后滑落庫(kù)中，還有部分護(hù)坡板下滑0.1～0.5 m。鑒于次工況運(yùn)行條件下大風(fēng)對(duì)護(hù)坡的破壞，需對(duì)水庫(kù)大壩混凝土護(hù)坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。情的主要原因是由于風(fēng)浪引起的，水庫(kù)大壩護(hù)坡在風(fēng)浪作用下引起破壞的主要原因是風(fēng)浪拖曳力、吸拔力和板下水的揚(yáng)壓力。因此對(duì)已破壞的護(hù)坡板主要從板自身和風(fēng)浪作用下的穩(wěn)定性兩方面進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，恰拉水庫(kù)B壩段土質(zhì)資料：γ，土壤的干容重，1.7 t/m3；φ，土壤的內(nèi)摩擦角，30.83°；c，土壤的粘聚力，6.3 kPa；γ1，土壤的浮容重，0.7 t/m3；θ，土壤的水下內(nèi)摩擦角，25.83°。

通過(guò)對(duì)水庫(kù)大壩護(hù)坡各層面的直剪試驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

2　對(duì)已破壞護(hù)坡的穩(wěn)定性分析

由于此次恰拉水庫(kù)新建壩段（B壩段）出現(xiàn)險(xiǎn)

2.1護(hù)坡板自身抗滑穩(wěn)定性分析

水庫(kù)B壩段迎水坡坡度為1∶2.5，設(shè)混凝土板護(hù)坡厚度為h；沿壩坡軸向的分縫長(zhǎng)度為a；沿壩坡坡向的分縫長(zhǎng)度為b。對(duì)單塊板進(jìn)行受力分析，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1。

沿著壩坡方向取力的平衡得，N-Gcosα=0，即N=Gcosα。

安全系數(shù)K=fN/Gsinα=f/ctanα

式中：G為混凝土板的自重；N為坡向阻滑力；α為壩坡坡角。

恰拉水庫(kù)為大（2）型水庫(kù)，按碾壓式土石壩設(shè)計(jì)（SL274-2001），其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.35。故要使護(hù)坡板在壩坡上保持平衡，必須有混凝土與苯板、苯板與土工膜、土工膜與基土之間均滿足穩(wěn)定要求。

圖1　單板計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)水庫(kù)大壩護(hù)坡各層面的直剪試驗(yàn)研究的成果，對(duì)護(hù)坡板自身穩(wěn)定性計(jì)算如表2。

表2　恰拉水庫(kù)護(hù)坡結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定安全系數(shù)

通過(guò)計(jì)算，在靜力學(xué)條件無(wú)外力支撐條件下，水庫(kù)護(hù)坡板自身可以保持穩(wěn)定，但其穩(wěn)定的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

2.2坡腳阻滑墻抗滑穩(wěn)定的分析計(jì)算

施工中先修建坡腳阻滑墻，再由下向上澆筑混凝土板，在穩(wěn)定的分析計(jì)算中，應(yīng)考慮阻滑墻的作用，阻滑墻結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2。

對(duì)單寬阻滑墻進(jìn)行受力分析，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3。

圖2　阻滑墻結(jié)構(gòu)圖

圖3　阻滑墻受力簡(jiǎn)圖

對(duì)水平方向取平衡得，P1-Ncosα=0，在護(hù)坡板沿壩坡方向下滑力作用下，阻滑墻下的土體將產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，計(jì)算被動(dòng)土壓力考慮如下兩種情況。2.2.1阻滑墻后填土不飽和情況

根據(jù)工程地質(zhì)資料，工程的上壩土料的粘性較小，在后面的被動(dòng)土壓力計(jì)算時(shí)，假設(shè)成為非粘性土，使計(jì)算得以簡(jiǎn)化。α為墻背與豎直線的夾角，以豎直線為準(zhǔn)，順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正，α=0；β為填土與水平面之間的夾角，水平線以上為正，水平線以下為負(fù)，β=0；δ為墻背與填土之間的摩擦角，這里取δ=0，可按朗肯土壓力理論計(jì)算被動(dòng)土壓力。

式中：H為墻高，0.8 m；Kp為朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)；α′為墻背與豎直線的夾角，以豎直線為準(zhǔn)，順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正，α′=0。

要使護(hù)坡板保持平衡，必須有護(hù)坡板自重沿坡向向下的分力與護(hù)坡向上的摩擦力和阻滑墻沿護(hù)坡向上支撐力保持平衡?？紤]阻滑墻作用的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算式為：

2.2.2阻滑墻后填土飽和情況

墻后填土飽和時(shí)，計(jì)算被動(dòng)土壓力時(shí)采用土的浮容重和土的水下內(nèi)摩擦角，同時(shí)要考慮水壓力的作用，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算式為：式中：γw為水的重度，t/m3?？紤]阻滑墻作用且墻后填土上述兩種情況時(shí)，混凝土護(hù)坡板抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3的結(jié)果得出，如考慮阻滑墻作用的情況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能夠滿足規(guī)范K≥1.35之要求。根據(jù)護(hù)坡板在施工期、運(yùn)行期均無(wú)下滑的現(xiàn)象分析，護(hù)坡板在無(wú)風(fēng)浪作用情況下是穩(wěn)定的。

表3　考慮阻滑墻作用后護(hù)坡板抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值

3　運(yùn)行期考慮風(fēng)浪作用下護(hù)坡板的穩(wěn)定分析

水庫(kù)大壩護(hù)坡在風(fēng)浪的作用下引起破壞的主要原因是，板上風(fēng)浪壓力、板下上托力和板上、板下水的靜水壓力及板自重。恰拉水庫(kù)為平原灌注式水庫(kù)，其特點(diǎn)是水淺壩長(zhǎng)，水面寬度較大、吹程較長(zhǎng)等，選用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　恰拉水庫(kù)大壩（B壩段）風(fēng)浪爬高及護(hù)坡厚度計(jì)算成果一覽表

素混凝土護(hù)坡在風(fēng)浪作用下的穩(wěn)定性分析計(jì)算按《土壩設(shè)計(jì)（上冊(cè)）》第六章，混凝土板護(hù)坡設(shè)計(jì)的公式計(jì)算?？紤]作用于板上的力有5種：板上波浪壓力；板下上托力；板上靜水壓力；板下靜水壓力；板自重（含苯板浮力）。

3.1板上浪壓力計(jì)算

計(jì)算混凝土板的穩(wěn)定性時(shí)，需要考慮的是當(dāng)波浪從坡面下拖時(shí)，板上的浪壓力小了而板下的上托力卻大了的情況。此時(shí)，板面上最大局部波浪壓力按公式（6）計(jì)算，波浪壓力分布按公式（8）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。為計(jì)算安全起見(jiàn)，板的下部邊緣應(yīng)考慮位于靜水位下hy處，因此點(diǎn)板上浪壓力系指向坡外的引力，系最大值。式中：hy為最大壓力點(diǎn)深度；x為以板的最低點(diǎn)為原點(diǎn)沿板面計(jì)算的坐標(biāo)距離；η，m為系數(shù)，m=2.0～3.5，η=1.0；2 h為波浪高度。

3.2板下的上托力計(jì)算

板下的上托力按下列公式逐步計(jì)算，計(jì)算庫(kù)水位為872.70 m時(shí)上托力分布見(jiàn)圖5。

圖5　板下的上托力示意圖

式中：hB為波浪爬高。板下的上托力呈梯形分布，最大壓力等于0.85 h。

3.3板上、下靜水壓力計(jì)算

板上最大靜水壓力為γhy，板上最大靜水壓力為γ（hy+t）。式中t為板厚在垂直方向的高度。

3.4板自重（含苯板浮力）計(jì)算

為防止混凝土護(hù)坡板凍漲破壞，在其下設(shè)有4 cm厚的苯板，在板下有水情況下，苯板對(duì)護(hù)坡板將產(chǎn)生一定的浮力，苯板體積質(zhì)量為20 kg/m3，在不考慮自重的情況下，其產(chǎn)生的體積浮力為430 N/m3。

將風(fēng)浪作用下所得的各種力分別對(duì)板的下緣點(diǎn)進(jìn)行力矩計(jì)算，其結(jié)果如下：

1）浪壓力力矩為：-2.16×0.59=-1.27 kN·m；

2）板下的上托力力矩為：（-4.44×0.92/2）×（0.92/3×2+1.79）+［-4.44× 0.285×（1.79+0.92+0.285/2）］=-8.06 kN·m；

3）板上、下靜水壓力力矩為：

（3.64×2.19/2）×（2.19/3）=2.91 kN·m，

（-5.9×2.76/2）×（2.76/3）=-7.49 kN·m；

4）板自重、苯板浮力力矩為：

24×t×3×1.393=100.3 t/（kN·m）；

-0.43×3×1.393=-1.80 kN·m。

在不考慮安全系數(shù)的情況下，以上各力力矩的和為零，混凝土護(hù)坡板在風(fēng)浪作用下是穩(wěn)定的，計(jì)算板厚t為：

-1.27+2.91+100.3 t-8.06-7.49-1.8=0

t=0.16 m

水庫(kù)護(hù)坡板原設(shè)計(jì)厚度為0.15 m，不能滿足抵抗風(fēng)浪的要求，護(hù)坡板在風(fēng)浪作用下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4　加固措施分析

上述分析可以看出，致使護(hù)坡失穩(wěn)下滑的主要原因是：板下的上托力和板下靜水壓力，而上托力又與波浪在護(hù)坡上的爬高有關(guān)。要解決此問(wèn)題，需從兩方面考慮：1）增加護(hù)坡板的厚度和重量，使板在風(fēng)浪的作用下自身能夠穩(wěn)定；2）消減波浪在護(hù)坡上的爬高或在板上設(shè)置排水孔來(lái)減小上托力、板下靜水壓力。

5　結(jié)　　語(yǔ)

本文對(duì)恰拉水庫(kù)大壩混凝土防浪護(hù)坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)大壩混凝土防浪護(hù)坡在阻滑墻的作用下是滿足抗滑穩(wěn)定的，施工中有下而上先修建阻滑墻后澆筑混凝土板是滿足要求的。

運(yùn)行期考慮風(fēng)浪作用時(shí)，護(hù)坡板的厚度不能滿足抵抗風(fēng)浪的要求，處于失穩(wěn)狀態(tài)，不能滿足抗傾穩(wěn)定要求。

［1］碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：水利電力出版社，2002：48—57.

［2］土壩設(shè)計(jì)（上冊(cè)）［M］.北京：水利電力出版社，1978：443—447.

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