BLKQY水庫大壩結構安全分析與評價

陸 楊

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

BLKQY水庫座落于新疆喀什地區(qū)葉城縣加依提勒克鄉(xiāng)7村東部，距縣城約12.0 km。水庫始建于1958年，正常蓄水位1300.5 m，相應庫容為295萬m3，是一座以灌溉為主的注入式平原水庫，工程等別為Ⅳ級，工程規(guī)模為小型(I)等工程。該水庫大壩為均質土壩，總長1503.175 m，設計壩頂寬4.0 m，壩頂高程1302 m，最大壩高9.6 m。水庫大壩由于建設年代較早，且沒有正規(guī)的實際施工資料，工程設計標準較低。于2009年7月進行除險加固，針對于壩頂安全超高和壩頂寬度不足的壩段進行加高、加寬處理；對壩體和壩基采取防滲措施，以減小大壩滲漏、延長滲徑，保證壩體、壩基的滲透穩(wěn)定性。本文針對水庫除險加固后大壩結構安全進行分析與評價。

1 大壩壩頂超高復核

1.1 計算公式

BLKQY水庫工程等別為Ⅳ級，大壩等主要建筑物為4級，正常蓄水位1300.50 m，庫區(qū)多年平均最大風速為11.96 m/s，根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL189-2013）中的莆田試驗站公式計算的平均波高和平均波周期：

式中：hm為平均波高，m；Tm為平均波周期，m/s；W為計算風速，m/s；D 為風區(qū)長度，m；Hm為水域平均水深，m；g取9.81 m/s2。設計情況采用多年平均最大風速1.5倍，即17.94 m/s，校核情況采用多年平均最大風速，風速修正系數(shù)取1.0[1]。

1.2 壩頂超高計算

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL189-2013）的規(guī)定，壩頂超高值按下式計算：

式中：Y為壩頂超高，m；R為波浪爬高，m；A為安全加高，m。

本工程大壩級別為4級，正常運用情況A＝0.5 m；非常運用情況A＝0.3 m。

設計波浪爬高值根據(jù)工程等級確定，本工程大壩級別為4級采用累積頻率為5%的爬高值R5%[1]。

地震涌浪高度可根據(jù)設計烈度和壩前水深，本工程地震基本烈度為7度，最大壩高6.0 m，根據(jù)規(guī)范取地震涌浪超高的小值0.5 m。BLKQY水庫地震烈度為7度，最大壩高僅為9.6 m，地震壩頂沉陷取0.1 m。

綜上所述，地震安全超高=地震涌浪高度+地震壩頂沉陷=0.6 m。

由于該水庫為無防洪要求的引水注入式平原水庫，故不存在設計洪水位和校核洪水位，本次壩頂超高復核的計算工況取兩種[2]：

工況1：正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高；

工況2：正常蓄水位加非常運用條件下的超高，再加地震安全加高。

BLKQY水庫壩頂安全高程計算值見表1。

表1 葉城縣BLKQY水庫壩頂安全高程計算表

根據(jù)計算，確定壩頂高程為1301.988 m。大壩現(xiàn)狀整體設計高程為1302.000 m，滿足設計及規(guī)范要求。

2 大壩抗滑穩(wěn)定分析

2.1 計算斷面

壩坡靜力抗滑穩(wěn)定計算斷面選取大壩最大斷面西0+300斷面進行計算。計算斷面可簡化成3個區(qū)：①壩基覆蓋層；②除險加固前壩體填筑土料；③除險加固后培厚加高壩體填筑土料。

大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算簡圖見圖1。

圖1 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算簡圖

2.2 計算方法和原理

采用北京中國水利水電科學研究院出版的《土質邊坡穩(wěn)定分析程序》（STAB簡化版Version2005）進行計算[3]。計算方法采用簡化畢肖普法，地震情況采用擬靜力法。計算原理為極限平衡分析方法，用總應力法和有效應力法分析圓弧滑裂面時，都假定：

1）土壩壩體內只有垂直應力，此力等于其上土柱的重量，不計水平應力和剪應力。

2）滑弧內的土體認為類似剛性體，繞滑弧圓心旋轉而坍滑。

3）土體可以分為單獨的土條，其重量可分為作用于滑面的法向分力及切向分力。

4）土條間的側壓力視作內力，互相抵消。

2.3 計算工況

水庫受放水流量和大壩防滲型式限制，不存在水位驟降問題[4]。所以只計算壩體標準剖面以下情況，復核土石壩的穩(wěn)定。

1）正常蓄水位時穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡；

2）空庫工況上、下游壩坡；

3）正常蓄水位時穩(wěn)定滲流期遇地震上、下游壩坡。

2.4 計算參數(shù)

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015（1/400萬），本區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度0.10 g，地震動反應譜特征周期為0.4 s，地震基本烈度為Ⅶ度。故本次分析計算按地震烈度Ⅶ度進行復核。

計算分析的物理力學指標根據(jù)地質試驗資料結果確定，BLKQY水庫①號壩基覆蓋層土料內摩擦角29°，粘聚力12 kPa，天然容重14.9 kN/m3，飽和容重19.3 kN/m3。②號除險加固前原壩體填筑土料內摩擦角27°，粘聚力2 kPa，天然容重13.1 kN/m3，飽和容重18.2 kN/m3。③號除險加固后培厚加高壩體填筑土料內摩擦角32°，粘聚力2.0 kPa，天然容重16 kN/m3，飽和容重18.6 kN/m3。

2.5 計算結果

壩坡穩(wěn)定見表2。

表2 大壩抗滑穩(wěn)定計算成果表

從表2可看出，經(jīng)過計算在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期、空庫工況和正常蓄水位遇地震三種工況下大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范值。抗滑穩(wěn)定計算成果圖見圖2～圖4。

圖2 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果圖

圖3 空庫工況大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果圖

圖4 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇地震大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果圖

根據(jù)計算結果，混凝土板在浮力作用下穩(wěn)定的護坡板厚度計算值為8.8 cm，現(xiàn)在混凝土護坡厚度為15 cm，滿足規(guī)范要求。

4 結語

3 護坡板厚度復核

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，對具有明縫的混凝土或鋼筋混凝土護坡，當壩坡坡度系數(shù)m=2～5時，板在浮力作用下穩(wěn)定的護坡板厚度可按下式計算[5]：

式中：η為系數(shù)，對整體式大塊板取1.0，對裝配式面板取1.1；hp為累計頻率為1%的波高，m；b為沿壩坡向板長，m；ρc為板的密度，t/m3。

計算斷面采用最大壩高樁號西0+300斷面處波長及波高，計算結果見表3。

表3 護坡板厚度計算結果表

結合現(xiàn)場檢查及目前大壩實際運行情況，通過上述計算可得：壩頂高程滿足規(guī)范要求；根據(jù)壩坡穩(wěn)定復核計算，水庫大壩在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期、空庫和正常蓄水位遇地震三種工況下，壩體的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范允許值；護坡板厚度符合計算要求。從而可認為大壩結構安全，運行條件良好，依據(jù)《水庫大壩安全評價導則》BLKQY水庫大壩應評定為B級[6]。