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坝体渗流与稳定计算

坝体渗流与稳定计算

依据：

碾压土石坝设计规范SL274-20018.3节

丰镇例：

4.1加高3m（Ⅰ格东坝、南坝，Ⅱ格南坝）坝坡稳定安全计算分析

4.1.1计算工况

根据《火力发电厂设计技术规程》（DL5000－94）、《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），结合灰坝的具体情况，灰坝的稳定分析中应核算以下工况的坝坡稳定性：

灰水位1209.00m，下游水位1200.00m，计算下游坝坡稳定。

4.1.2计算方法与计算参数指标的选取

（1）计算方法

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），土坝采用依据刚体极限平衡原理的圆弧滑动法进行稳定分析。

计算同时采用了不计条块间作用力的瑞典圆弧法和计及条块间作用力的简化毕肖普法。

稳定渗流期的下游坝坡稳定采用有效应力法计算，水库水位降落期的上游坝坡稳定采用总应力法计算。

土体抗剪强度可用有效应力法按下式确定：

式中：

——土的有效应力；

、

——土的有效内摩擦角和粘聚力。

在库水位降落期，土体的抗剪强度用总应力法按下式确定：

式中：

、

——用不排水剪的内摩擦角和粘聚力。

（2）计算参数

上游灰水位1209.00m，对应下游水位1200.00m；

计算采用的相关材料物理力学指标见表4-1

表4-1计算采用的物理力学指标

项目

干容重

（kN/m3）

湿容重

（kN/m3）

饱和容重

（kN/m3）

粘结力

（kN/m2）

内摩擦角

（°）

坝体土

17.3

17.5

21.0

20

21

库区灰

24.0

0

30

固结灰

15.7

20.0

50

35

4.1.3浸润线计算

采用均质坝浸润线计算原理进行计算。

经计算得浸润线方程为：

4.1.4计算方案和计算结果

根据坝体各部分填土性质，进行各土层划分（见图4-1），计算中对可能的弧顶、弧脚位置进行了组合，各种组合方案见表4-2，计算工况下各方案的计算结果见表4-2，通过计算得到最危险的划弧（见图4-2）。

相对而言较为危险的划弧的具体计算结果见附录1~4。

表4-2下游坝坡计算方案组合表

上游

计算方案

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

弧脚范围

1-4

1-4

1-4

1-4

1-4

1-4

1-4

5-6

5-6

5-6

弧顶范围

15-16

14-15

13-14

12-13

8-9

6-7

4-5

15-16

14-15

13-14

计算方案

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

弧脚范围

5-6

5-6

5-6

7-8

7-8

7-8

7-8

11-12

11-12

11-12

弧顶范围

12-13

8-9

6-7

15-16

14-15

13-14

12-13

15-16

14-15

13-14

表4-3下游坝坡各方案计算结果

方案

弧脚

弧顶

滑弧

半径

抗滑稳定安全系数

瑞典法

毕肖普法

1

1-4

15-16

47.081

1.596

1.610

2

1-4

14-15

47.080

1.597

1.611

3

1-4

13-14

38.676

1.623

1.637

4

1-4

13-14

40.463

1.618

1.634

5

1-4

12-13

53.557

1.661

1.672

6

1-4

8-9

43.551

1.646

1.664

7

1-4

6-7

7.165

1.672

1.665

8

5-6

15-16

19.865

1.746

1.843

9

5-6

14-15

22.633

1.743

1.868

10

5-6

13-14

31.259

1.739

1.832

11

5-6

12-13

19.741

1.740

1.840

12

5-6

8-9

13.28

1.756

1.840

13

5-6

6-7

9.937

1.756

1.840

14

7-8

15-16

14.587

2.002

2.168

15

7-8

14-15

14.587

2.002

2.168

16

7-8

13-14

14.587

2.002

2.168

17

7-8

12-13

14.587

2.002

2.168

18

11-12

15-16

5.849

1.996

1.976

19

11-12

14-15

5.849

1.996

1.976

20

11-12

13-14

5.849

1.996

1.976

图4-1下游坡稳定计算土层划分图

图4-2下游坡最危险滑弧图

4.1.5计算成果分析

按照《火力发电厂设计技术规程》（DL5000－94），Ⅲ级土石坝坝坡抗滑稳定最小安全系数值下游坡为1.15（基本情况）和1.0（特殊情况）。

计算结果表明，灰坝断面在水位为1209.00m时，下游坡的抗滑稳定安全系数满足规范要求。

4.2Ⅰ格北坝加高2.5m坝坡稳定安全计算分析

4.2.1计算工况

根据《火力发电厂设计技术规程》（DL5000－94）、《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），结合灰坝的具体情况，灰坝的稳定分析中应核算以下工况的坝坡稳定性：

灰水位1209.50m，下游水位1200.00m，计算下游坝坡稳定。

4.2.2计算方法与计算参数指标的选取

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）及修改和补充规定，土坝采用依据刚体极限平衡原理的圆弧滑动法进行稳定分析。

计算同时采用了不计条块间作用力的瑞典圆弧法和计及条块间作用力的简化毕肖普法。

具体计算原理同上。

上游灰水位1209.50m，对应下游水位1200.00m；

计算采用的相关材料物理力学指标见表1

表4-4计算采用的物理力学指标

项目

干容重

（kN/m3）

湿容重

（kN/m3）

饱和容重

（kN/m3）

粘结力

（kN/m2）

内摩擦角

（°）

坝体土

17.3

17.5

21.0

20

21

库区灰

24.0

0

30

固结灰

15.7

20.0

50

35

4.2.3浸润线计算

采用均质坝浸润线计算原理进行计算。

经计算得浸润线方程为：

4.2.4计算方案和计算结果

根据坝体各部分填土性质，进行各土层划分（见图4-3），计算中对可能的弧顶、弧脚位置进行了组合，各种组合方案见表4-5，计算工况下各方案的计算结果见表4-6，通过计算得到最危险的划弧（见图4-4）。

相对而言较为危险的划弧的具体计算结果见附录。

表4-5下游坝坡计算方案组合表

计算方案

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

弧脚范围

0-1

0-1

0-1

0-1

0-1

1-10

1-10

1-10

1-10

1-10

弧顶范围

21-14

20-21

19-20

18-19

15-16

21-14

20-21

19-20

18-19

16-17

计算方案

11

12

13

14

15

16

17

18

19

弧脚范围

1-10

10-15

10-15

10-15

10-15

10-15

18-19

18-19

18-19

弧顶范围

15-16

21-14

20-21

19-20

18-19

15-16

21-14

20-21

19-20

表4-6下游坝坡各方案计算结果

方案

弧脚

弧顶

滑弧

半径

抗滑稳定安全系数

瑞典法

毕肖普法

1

0-1

21-14

128.104

1.872

1.843

2

0-1

20-21

128.109

1.907

1.894

3

0-1

19-20

128.104

1.852

1.857

4

0-1

18-19

116.40

1.752

1.739

5

0-1

15-16

123.002

1.845

1.715

6

1-10

21-14

33.531

1.347

1.378

7

1-10

20-21

35.306

1.351

1.377

8

1-10

19-20

21.818

1.338

1.377

9

1-10

18-19

30.257

1.349

1.376

10

1-10

16-17

18.504

1.307

1.386

11

1-10

15-16

29.718

1.426

1.404

12

10-15

21-14

16.554

1.527

1.626

13

10-15

20-21

10.052

1.420

1.571

14

10-15

19-20

29.864

1.444

1.572

15

10-15

18-19

17.874

1.520

1.681

16

10-15

15-16

17.879

1.591

1.788

17

18-19

21-14

5.186

2.923

2.972

18

18-19

20-21

5.186

2.923

2.972

19

18-19

19-20

0.700

2.923

2.972

图4－3下游坡稳定计算土层划分图

图4－4下游坡最危险滑弧图

4.2.5计算成果分析

按照《火力发电厂设计技术规程》（DL5000－94），Ⅲ级土石坝坝坡抗滑稳定最小安全系数值下游坡为1.15（基本情况）和1.0（特殊情况）。

计算结果表明，灰坝断面在水位为1209.50m时，下游坡的抗滑稳定安全系数满足规范要求。

五、泄水建筑物

原灰场利用排水井排除灰水。

随着灰水面的升高，原排水井的高程不满足要求，需要加高。

同时，由于在灰库内加高，排水井位置需向灰库内移动50m。

本次加高灰坝，仍然采用排水井，其结构形式与原来一致。

同时，利用管道将本次新建的排水井与原排水井相连，并对原排水井冲洗，保证排水通畅。

六、坝基承载能力校核与坝基沉降变形的计算

6.1坝基承载能力的校核

坝基粉煤灰的抗剪强度参数为：

φ＝30°，C＝10KPa。

根据规范及有关公式可估算坝基的承载力。

1.利用太沙基公式计算

对于本工程，D＝0，因φ＝30°，查表得NC=30，NB＝18，则：

Pv＝10×30+

18×3×12.90＝648.3kPa

648.3Pa是极限承载力，如取安全系数为3，则容许承载力为216.1kPa。

坝基的实际最大压应力为46.41kPa，因此，坝基是足够安全的。

2.按规范推荐的公式计算

根据国家标准“建筑地基基础设计规范GBJ7-89”推荐的公式：

fV＝Mb·r·b+MdR0d+Mc·CK

对于本工程，d=0，因φ＝30°，查表得Mb＝1.9，M0＝7.95，则

fV＝1.9×14.6×3+7.95×10＝162.7KPa

162.7KPa为规范根据土的抗剪强度确定的地基承载力设计值。

本坝基最大的压应力P＝46.41kPa，远小于坝基承载力的设计值，因此是安全的。

6.2坝基沉陷变形的计算

根据设计剖面，取计算剖面简图如图6-1。

图6-1沉降计算简图

6.2.1施工期沉降计算

（1）坝轴线M点下垂直剖面

先计算基底压力：

。

该剖面坝基粉煤灰厚度有6.5m，不同深度的附加应力见表6-1。

表6-1M点下坝基内的附加应力

条形荷载（x/b＝0.5）

三角形荷载（x/b＝1.25）

σZ＝σx1＋2σx2（KPa）

Z（m）

Z/b

KZ

σx1（Kpa）

Z（m）

Z/b

KZT

σx2（Kpa）

1.5

0.5

0.819

38.01

1.5

0.25

0.072

3.34

44.69

3

1

0.549

25.48

3

0.5

0.157

7.29

40.06

6.5

2.2

0.268

12.44

6.5

1.1

0.180

8.35

29.14

（2）A点下垂直剖面

该剖面粉煤灰层厚6.5米，其不同深度的附加应力见表6-2。

表6-2A点下坝基内的附加应力

条形荷载（x/b＝0）

三角形荷载（x/b＝1）

σZ＝σx1＋σx2（KPa）

Z（m）

Z/b

KZ

σx1（Kpa）

Z（m）

Z/b

KZT

σx2（Kpa）

1.5

0.5

0.479

22.23

1.5

0.25

0.423

19.64

41.87

3

1

0.409

18.98

3

0.5

0.354

16.43

35.41

6.5

2.2

0.251

11.65

6.5

1.1

0.236

10.95

22.6

（3）B点垂直剖面

该剖面粉煤灰层厚6.5米，其不同深度的附加应力见表6-3。

表6-3B点下坝基内的附加应力

条形荷载（x/b＝1）

三角形荷载（x/b＝1）

σZ＝σx1＋σx2（KPa）

Z（m）

Z/b

KZ

σx1（Kpa）

Z（m）

Z/b

KZT

σx2（Kpa）

1.5

0.5

0.479

22.23

1.5

0.25

0.423

19.64

41.87

3

1

0.409

18.98

3

0.5

0.354

16.43

35.41

6.5

2.2

0.251

11.65

6.5

1.1

0.236

10.95

22.6

（4）C点垂直剖面

该剖面粉煤灰层厚6.5米，其不同深度的附加应力见表6-4。

表6-4C点下坝基内的附加应力

深度Z（m）

Z/b

KZT

σZ（Kpa）

1.5

0.25

0.257

11.93

3

0.5

0.261

12.11

6.5

1.1

0.214

9.93

（5）D点下垂直剖面

该剖面粉煤灰层厚6.5米，其附加应力见表6-5。

表6-5D点下剖面地基附加应力

深度Z（m）

Z/b

KZT

σZ（Kpa）

1.5

0.25

0.049

2.27

3

0.5

0.076

3.53

6.5

1.1

0.156

7.24

2、沉降变形的计算

采用平均附加压力法，沉陷量用下式计算：

ms＝1，据国内几个灰库粉煤灰的试验资料，取ES=6.78～12.132。

（1）M点的下沉陷量

M点下坝基粉煤灰层厚6.5米，其沉陷量计算结果见表6-6。

表6-6M点坝基沉陷的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（KPa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

44.69

45.55

1.01

0.56

3

40.06

42.38

0.94

0.52

6.5

29.14

34.60

1.79

1.00

3.74

2.08

（2）A点下沉陷量

A点下坝基粉煤灰层厚6.5米，其沉陷量计算结果见表6-7。

表6-7A点地基沉陷量的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（KPa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

41.87

44.14

0.98

0.55

3

35.41

38.64

0.85

0.48

6.5

22.60

29.01

1.50

0.84

3.33

1.87

（3）B点坝基沉陷量

B点下坝基粉煤灰层厚6.5米，其沉陷量计算结果见表6-8。

表6-8B点坝基沉陷的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（KPa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

41.87

44.14

0.98

0.55

3

35.41

38.64

0.85

0.48

6.5

22.60

29.01

1.50

0.84

3.33

1.87

（4）C点坝基沉陷量

C点下坝基粉煤灰层厚6.5米，其沉陷量计算结果见表6-9。

表6-9C点坝基沉陷的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（KPa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

11.93

15.80

0.35

0.20

3

12.11

12.02

0.27

0.15

6.5

9.93

11.02

0.57

0.32

1.19

0.67

（5）D点坝基沉陷量

D点下坝基粉煤灰层厚6.5米，其沉陷量计算结果见表6-10。

表6-10D点坝基沉陷的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（KPa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

2.27

1.14

0.03

0.01

3

3.53

2.90

0.06

0.04

6.5

7.24

5.39

0.28

0.16

0.37

0.21

综上计算可知，上游坝脚地基沉陷是很小的，约0.2～0.4cm。

子坝中间条形荷载地基沉陷基本是均匀的。

整个地基最大沉陷差约3cm，因此不存在明显的部均匀沉陷问题，子坝整体是安全的。

6.3灰坝运行后期沉降量计算

当灰场运行到限制堆灰高程（1209.00m高程）后，上述D、A、B的沉降值不能太大，为此进行了校核。

先计算基底压力，

1、附加应力的计算

（1）堆灰引起的D点下坝基内的附加应力

该剖面粉煤灰层厚6.5米，x/b=1.0。

其附加应力见表6-11。

表6-11堆灰引起的D点下剖面地基附加应力

深度Z（m）

Z/b

KZT

σZ（Kpa）

4

0.8

0.285

10.93

5.5

1.1

0.236

9.05

9

1.8

0.164

6.29

（2）堆灰引起的A点下坝基内的附加应力

该剖面粉煤灰层厚6.5米，x/b=-0.2。

其附加应力见表6-12。

表6-12堆灰引起的A点下剖面地基附加应力

深度Z（m）

Z/b

KZT

σZ（Kpa）

4

0.8

0

0

5.5

1.1

0.118

4.53

9

1.8

0.123

4.72

（3）堆灰引起的B点下坝基内的附加应力

该剖面粉煤灰层厚6.5米，x/b=-0.8。

其附加应力见表6-13。

表6-13堆灰引起的B点下剖面地基附加应力

深度Z（m）

Z/b

KZT

σZ（Kpa）

4

0.8

0

0

5.5

1.1

0.017

0.65

9

1.8

0.058

2.22

2、堆灰后沉降变形的计算

（1）堆灰后D点沉降变形计算结果见表6-14。

表6-14堆灰后D点坝基沉陷的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（KPa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

堆灰前、后

总沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

10.93

24.64

0.55

0.30

0.58

0.31

3

9.05

9.99

0.22

0.12

0.28

0.16

6.5

6.29

7.67

0.40

0.22

0.68

0.38

1.17

0.64

1.54

0.85

（2）堆灰后A点沉降变形计算结果见表6-15。

表6-15堆灰后A点坝基沉陷的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（Kpa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

堆灰前、后

总沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

0

19.18

0.42

0.24

1.40

0.79

3

4.53

2.27

0.05

0.03

0.90

0.51

6.5

4.72

4.63

0.24

0.13

0.74

0.97

0.71

0.40

4.04

2.27

（3）堆灰后B点沉降变形计算结果见表6-16。

表6-16堆灰后B点坝基沉陷的计算

深度

Z（m）

附加应力

σz（Kpa）

附加应力平均值

σep（KPa）

沉陷量ΔSi（cm）

堆灰前、后

总沉陷量ΔSi（cm）

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

ES=6.78Mpa

ES=12.132Mpa

1.5

0

19.18

0.42

0.24

1.40

0.79

3

0.65

0.33

0.01

0

0.86

0.48

6.5

2.22

1.44

0.07

0.04

1.57

0.88

0.50

0.28

3.83

2.15

经计算，D点附加沉降值0.64~1.17cm，A点附加沉降值0.40~0.71cm，B点附加沉降值0.28~0.50cm，故D点累加沉降值为0.85~1.54cm，A点累加沉降值为2.27~4.04cm，B点累加沉降值为2.15~3.83cm。

D、A、B间最大不均匀沉陷差为3cm，沉陷差值仍然较小。