某抽水蓄能電站河溝型棄渣場設計及穩

定計算、水力學計算摘要：該文根據工程實例介紹了河溝型棄渣場邊坡設計及穩定計算、水力學計算。河溝型棄渣場上游有來水，對棄渣場穩定產生影響，邊坡設計時需在底部設置排水拱涵，將來水導走，上部設置邊坡及馬道，棄渣場上、下游需設置混凝土擋土墻。這種處理方式經過邊坡穩定計算、擋土墻穩定計算、水力學計算，結果滿足規范要求，邊坡安全穩定，設計合理可行。關鍵詞：邊坡穩定計算；簡化畢肖普法；摩根斯頓-普萊斯法；擋土墻穩定計算；庫倫土壓力法；水力學計算1工程概況某抽水蓄能電站位于重慶市境內，距重慶市主城區公路里程約168km。上水庫位于高巖溝，壩址以上集水面積1.90km2；下水庫位于大麥溝，壩址以上集水面積233.40km2。秦家河棄渣場布置于秦家河溝中游河段，該河溝長度大于4.00km。上游河段溝谷切深淺，建有兩個小水庫；中游河段溝谷深切呈“V”型，谷底寬度一般15.00m?20.00m，谷底平均坡降約8%?10%；下游河段溝谷坡降較大，分布有陡坎地形。棄渣場以上沖溝匯水面積約10km2,100年一遇洪水流量143.00m3/s。沖溝兩岸主要為侵蝕-剝蝕地形，現為農田。其中，右岸主要為剝蝕臺地，地形綜合坡度約8°?10°；右岸高程620.00m?650.00m，為剝蝕斜坡，地形坡度約15°?20°；高程590.00m?620.00m之間為沖溝兩側陡崖或陡坡，平均地形坡度大于35°；沖溝內植被發育，溝底多見基巖出露。秦家河棄渣場溝底地形見圖1-1。圖1-1秦家河棄渣場溝底地形（從下游向上游看）2棄渣體設計及下游邊坡穩定性分析2.1棄渣體設計秦家河棄渣場設計堆渣量約332萬m3,設計堆渣高程580.00m?660.00m，堆渣高度約80m。根據NB/T35111-2018《水電工程渣場設計規范》⑴和GB51018-2014《水土保持工程設計規范》［2］規定，確定秦家河棄渣場級別為1級，其建筑物為3級非雍水建筑物。棄渣體初擬設計為：棄渣場上、下游及右側設置混凝土重力式擋土墻，底部設置直墻圓拱形排水拱涵，周邊設置等腰梯形排水溝。上游邊坡坡比為1:2.50，一坡到頂；下游設置5級邊坡，坡比均為1:2.50，設置4級馬道，寬度5.00m；渣場中部（高程655.00m平臺到高程660.00m平臺）設置一級坡，坡比1:2.50。擋土墻采用C25混凝土，拱涵采用C25鋼筋混凝土，邊坡采用C25鋼筋混凝土網格梁護坡，網格梁內植草，馬道采用C25混凝土護面，排水溝采用C20鋼筋混凝土。2.2計算工況及穩定標準本棄渣場堆渣體穩定性分析選取最大坡高的剖面作為最不利計算剖面。計算工況分為2大類：正常運用工況（持久工況）和非常運用工況（暴雨工況、地震工況），采用簡化畢肖普法（簡稱Bishop法）和摩根斯頓-普萊斯法（簡稱M-P法）計算。1）正常運用工況：

棄渣場在正常的條件下處于最終棄渣狀態時，渣體無滲流或穩定滲流；荷載組合為自重+正常地下水。（2）非常運用工況：棄渣場在連續降雨期，荷載組合為自重+暴雨工況地下水。棄渣場在正常工況下遭遇W度以上（含⑷度）地震，荷載組合為自重+正常地下水+地震荷載。根據NB35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》⑶，秦家河棄渣場需按⑷度地震設防，折減后基巖水平峰值加速度為0.025g。根據規范［1,2］，當采用簡化畢肖普法和摩根斯頓-普萊斯法計算時，規定的抗滑穩定安全系數見表2.2-1。表2.2-1邊坡抗滑穩定分析荷載組合和安全系數標準自重+正常荷載地下水荷載 一正常運用組合自重+暴雨地下水自重+正常地下水+自重+正常荷載地下水荷載 一正常運用組合自重+暴雨地下水自重+正常地下水+地震1級1.350 1.250 1.150棄渣場2.3計算軟件、方法、模型及結果棄渣場邊坡整體穩定計算采用Slide軟件，計算方法采用簡化畢肖普法和摩根斯頓-普萊斯法。秦家河棄渣場1-1典型剖面見圖2.3-1，CAD模型見圖2.3-2,

簡化畢肖普法計算結果見圖2.3-3?圖2.3-5,摩根斯頓-普萊斯法計算結果見表2.4-1。圖2.3-1秦家河棄渣場1-1典型剖面圖2.3-2CAD模型SireitimTppePnihBAEISuhhueR?□垠〉Wif<DUlDrahn21None護■24hkRlHZPulDntl3ENoneC-□17.5VkHir-CDuionc35J33NOriA□IASt*kmr-CDui￡>na4t22HDne護□USLIstir-C'nuiDrabMFNun*圖2.3-3正常工況計算結果（Bishop法）MiAhimIrJmCc4c<LAikWm^ii￡lran|4iTvprCchawoii.k^mJi-HiIAik?ijLidJuiFIe棄！Sft??克和□13.5WGhr-CwltrallL3藥rioneQ■蘋H-Stir-CW^pralSHO55floneQ廠ZL5UGhr-CwIprall1TJ12NeneDmuje-nffl廠觸呂Uchr-Ciximfc5L5朋ftentGiSRitE-nffl廠2iSUchr-C&ciDHb15USftant0

注：棄渣體參數系根據棄渣體壓實度0.85取中間值，根據多次試算，邊坡最小安全系數隨內摩擦角的變化比較敏感，內摩擦角若取中間值19.00°，則計算出的結果不滿足規范要求，考慮在下游下面2級邊坡設置土工格柵，根據類似工程的經驗，其內摩擦角提高至20.00°，提高1.00°后其余作用則作為安全裕度。MafariUlrJarmCc4c-r5t??p*Co*rwi|kkjrri2|HiWaiEr站■“Flu;r-l：□iasMo*x-￡ouiorrfc15Z]NoneD龍土掛IA■2JMO*Y-￡flulflrTfcSCOHNo<gDL17Jhwr-tauia?sMihoneD3R.AJSLZ35Ma*T-[^UlaTt包應NqhEDJWM.IUS匚Mn*irH：nulanftwM5MemeD圖2.3-5地震工況計算結果（Bishop法）2.4計算結果分析各工況邊坡穩定計算結果見表2.4-1。表2.4-1秦家河棄渣場各工況邊坡穩定計算結果

根據棄渣料和地基地質情況，通過邊坡穩定計算，得出的最小安全系數均滿足規范要求，說明考慮到下游下面2級邊坡設置了土工格柵后，秦家河棄渣場設計可以滿足安全穩定要求。3下游攔擋措施設計及穩定性驗算下游攔擋措施設計秦家河棄渣場下游邊坡坡腳處設置C25混凝土擋墻護腳，擋土墻采用重力式結構型式，長約37m，墻身高度8.00m,頂寬2.00m,擋土墻墻背坡比1：0.50,墻前坡比1：0.20，墻背后10.00m范圍內選用透水性好的塊石。

材料參數塊石及擋土墻C25混凝土材料參數見表3.2-1。表3.2-1秦家河棄渣場擋土墻及塊石材料參數

3.3擋土墻穩定性驗算擋土墻穩定性計算工具采用理正巖土軟件中的擋土墻穩定計算模塊，原理基于庫倫土壓力計算方法。秦家河棄渣場擋土墻級別為3級，正常運用工況下擋土墻抗滑穩定安全系數為1.08，非正常運用工況下為1.00；正常運用工況下擋土墻抗傾覆安全系數為1.40，非正常運用工況下為1.30。計算結果見表3.3-1。表3.3-1秦家河棄渣場下游擋土墻穩定計算結果偏心最大基工況滑移傾覆驗距e底應力驗算K算K0mkPa正常工況4.3830.009.2064185.970暴雨0.032.7907.580198.398工況1非常工況地震0.043.6217.862196.615工況6規范正常工況1.0801.4001.558500.000要求穩定系數非常工況1.0001.3001.558500.000是否滿足規范要求是是是是根據擋土墻穩定計算成果，秦家河棄渣場擋土墻抗滑穩定和抗傾覆安全系數均能滿足規范要求。4棄渣場底部排水設計4.1防洪及排水標準秦家河棄渣場級別為1級，相應排水建筑物為3級，棄渣場防洪標準按100年一遇洪水考慮，相應洪水流量為143.00m3/s。排水方式選取及尺寸設計秦家河棄渣場采用拱涵排水方式，拱涵沿秦家河溝底布置，洞身全長約753m橫斷面呈城門洞型，凈斷面尺寸初擬為5.00mX6.00m（寬X高）,頂拱中心角180.00°。排水能力復核秦家河棄渣場底部涵洞進口底板高程636.00m,出口底板高程578.00m,洞身全長約753m，底坡平均坡比7.70%。根據規范規定和《水力計算手冊（2006年第二版第七篇第一章第三節第321頁）》[5],計算公式為：Q二mob（2g）0.5出5（式1）s式中，m取0.34,。取1.00,b取5.00m,g取9.81m/s2,H為以涵洞進口s斷面底板高程起算的上游總水頭。秦家河棄渣場涵洞過流能力計算結果見表4.3-1。表4.3-1秦家河棄渣場涵洞過流能力計算結果水位（m）水頭（m）過流流量（m3/s）642.506.50124.79643.127.12143.00643.507.50154.66從表4.3-1可以看出：當設計流量Q=143.00m3/s時，對應的上游水位約為643.12m,上游水深約為7.12m,小于1.20h（1.20X6.00=7.20m），說明排水拱涵初擬尺寸（5.00mX6.00m（寬X高），頂拱中心角180.00°）滿足要求。秦家河棄渣場涵洞設計斷面計算結果見表4.3-2。表4.3-2秦家河棄渣場涵洞設計斷面計算結果正斷洞濕水謝下底臨洞常水面面寬b周力半才系泄流量坡i界水內流深h0積3x 徑R數CQ深hk速mmax25191401441.15.000.75.30.1564.54.0772.85.373.2925191401441.16.000.80.32.1594.56.0773.75.383.3125191401441.17.000.85.34.1624.58.0774.66.403.33根據SL279-2016《水工隧洞設計規范》⑷，對低速水流的無壓隧洞，恒定流情況下，當通氣條件良好時，凈空斷面面積（洞內水面線以上空間）不宜小于隧洞斷面面積的15.00%（27.32-10.80=16.52>27.32X0.15=4.10），凈空高度不應小于0.40m（6.00-2.16=3.84>0.40）。根據試算結果，擬定的排水拱涵斷面尺寸（5.00mX6.00m（寬X高），頂拱中心角180.00°）滿足泄流要求。由于拱涵出口流速較大，需設置一座消力池。5結論綜上所述，初擬的設計方案并且結合棄渣場下游下面2級邊坡設置土工格柵經過邊坡穩定計算、擋土墻穩定計算、水力學計算，結果滿足規范要求。最終的設計方案為：秦家河棄渣場設計堆渣量約332萬m3，設計堆渣高程580.00m?660.00m，堆渣高度約80m。棄渣場上、下游及右側設置混凝土重力式擋土墻（上、下游混凝土擋土墻頂寬2.00m，高8.00m），底部設置直墻圓拱形排水拱涵（洞身全長約753m，凈斷面尺寸為5.00mX6.00m（寬X高），頂拱中心角180.00°），出口設置1座消力池，周邊設置等腰梯形排水溝。上游邊坡坡比為1:2.50，一坡到頂；下游設置5級邊坡，坡比均為1:2.50,設置4級馬道，寬度5.00m；渣場中部（高程655.00m平臺到高程660.00m平臺）設置一級坡，坡比1:2.50,下游下面2級邊坡設置