某小（1）型水庫安全評價中大壩結構穩定分析

□史振防

（濮陽縣政府投資項目建設管理辦公室）

1 工程及地質概況

某小（1）水庫庫區徑流面積為6.70 km2，河道長6.13 km，河床比降5.90×10-3。水庫樞紐工程主要由主壩、副壩、輸水涵、輸水隧洞、溢洪道等組成［1］。主壩為均質土壩，最大壩高為19.00 m，壩頂為混凝土路面，壩頂高程為85.50 m，壩頂寬6 m，壩頂長195.50 m。副壩為均質土壩，最大壩高為10.20 m，壩頂為混凝土路面，壩頂高程為83.16 m，壩頂寬4.30 m，壩頂長66 m。

水庫地貌類型以低丘陵及剝蝕殘山為主，水庫西面大部分為地形較高的剝蝕山丘，東面為低矮準平地，是人口密集的工業區。庫區西部基巖為中生代白堊紀早白堊世中粗粒黑云母二長花崗巖（K11bηγ），東部基巖為中生代侏羅世粉砂巖、粉砂質泥巖（J1-2t）。庫區主要出露的地層為第四系地層，主要為沖洪積層和殘積層，第四系沖洪積層分布范圍較小，一般位于河床和沖溝底，巖性為含礫粘土和粉質粘土，局部有礫砂、角礫層，厚度不大，呈透鏡狀分布；第四系坡殘積層分布廣泛，巖性為礫質粘性土和粉質粘土，厚度依地形地貌而變化。

根據壩址現場地質調查及鉆探結果，在勘探場地及深度內范圍內未發現斷層、巖溶、滑坡、泥石流及液化土層分布等不良地質作用及特殊巖土。

2 大壩壩基和岸坡質量評價

2.1 大壩現狀評價情況

2.2.1 大壩壩基和岸坡質量評價

依據《水庫大壩安全評價導則》（SL258—2000）及《土石壩安全監測技術規范》（SL60-2012），現場檢查采取了歷史資料分析法、現場巡視檢查法相結合的辦法，對大壩壩體有無裂縫、異常變形、滲漏、塌陷及動物危害現象進行重點檢查，得到以下檢查結果：①水庫運行管理情況整體較好；②主壩壩頂路面平整，局部有裂縫1處、破損1處；③主壩壩后坡階梯局部有破損2處；④主壩馬道與馬道旁排水溝有裂縫1處；⑤主壩壩后坡排水棱體有2 處存在少量的滲流量；⑥副壩壩頂路面平整，局部有裂縫1處。

2.2.2 大壩壩體質量評價

根據室內土工試驗及擊實試驗，壩體人工填土所取土樣干密度1.32～1.70g/cm3，壩體三組擊實樣的校正后最大干密度平均值為1.83g/cm3，計算得出壩體人工填土壓實度介于72%～93%之間。根據室內土工滲透試驗分析，對4組壩體人工填土試樣進行了室內滲透試驗，滲透系數為4.3E-6～8.6E-4 cm/s，平均滲透系數為3.00E-4 cm/s，為中等透水性。

綜上所述，壩體填筑土土料質量滿足均值土壩用料要求，但其壓實度不滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）對3級以下中、低壩粘性土壓實度96%～98%的要求。根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258—2000），水庫壩體填筑土壓實度不滿足規范要求，應進一步進行大壩結構抗滑穩定分析后來評價大壩結構安全狀況。

3 大壩抗滑穩定分析

3.1 分析方法

3.1.1 計算方法

水庫大壩穩定計算按《水庫大壩安全評價導則》（SL258—2000）和《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）有關規定執行。計算分析采用計算條塊間作用力的簡化Bishop 法求壩坡抗滑穩定最小安全系數，計算公式如下：

式中：W 為條塊重，kN；W1為在壩坡外水位以上的條塊濕重，kN；W2為壩坡外水位以下的條塊濕重，kN；V為垂直地震慣性力（向上為負，向下為正），kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kpa，取值為0；b為土條寬度，m；α為條塊重力線與通過此條塊底面重點的半徑之間的夾角，°；c′、φ′為土條底面的強度指標，kpa、°，參見力學參數表；Mc 為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

該水庫大壩為3級壩，安全評價采用3級壩的安全性分級指標進行評價。穩定計算的標準水位采用復核計算成果，即：死水位特征水位為71.61 m，正常蓄水位為79.91 m，設計洪水位（P=1%）特征水位為81.31 m，校核洪水位（P=0.10%）特征水位為81.71 m。

3.1.2 計算工況

根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258—2000）和《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）有關規定擬定水庫穩定復核計算的各種工況見表1。

表1 水庫穩定復核計算的各種計算工況表

工況6根據《建筑抗震設計規范》（GB50011—2001）有關規定劃分，本區屬Ⅶ度區，建議本場地抗震設防烈度為7°，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.10 g。

3.1.3 滲流邊界

主壩在能形成滲流場的情況下，浸潤線遵循隨庫水位上漲而提高、隨庫水位跌落而下降；副壩因下游與地面幾乎齊平，安全鑒定未做滲流安全評價，故抗滑穩定計算只做上游坡計算。

3.1.4 物理力學指標選取

穩定分析的壩身填土、壩基的物理力學指標等均選自工程地質勘察成果，反濾體的物理力學指標根據《砂礫石地基工程地質》和《中小型水利水電工程地質》（第二版）并結合同類工程經驗數值取值，凝聚力C=0，內摩擦角φ=35°，密度γ=2.50 g/cm3。

3.2 計算結果

計算工具采用“理正邊坡穩定分析軟件”之“簡化Bishop法”。經計算，在各種工況下的壩坡抗滑穩定最小安全系數均滿足規范要求，計算結果見表2，各工況下主壩、副壩壩坡滑移計算圖見圖1、2（受篇幅所限，只列出部分）。

表2 主壩穩定計算安全系數結果表

圖1 主壩工況3上游壩坡滑移計算圖

圖2 副壩工況4上游壩坡滑移計算圖

3.3 大壩護坡強度復核

該水庫主壩上游壩坡為200 mm厚C25混凝土護坡。根據《碾壓式土石壩設計規范》

（SL274—2001），壩體上游混凝土護坡在浮力作用下穩定的面板厚度可按下式計算：

式中：η為系數，對整體式大塊護面板取1.00，裝配式護面板取1.10（取1.00）；hp為累積頻率為1%的波高，m；b 為沿壩坡向板長，m；ρc為板的密度，t/m3。

由計算成果可知：正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位時大壩壩體上游混凝土護坡所需厚度均為0.15 m，現狀厚度均為0.2 m，水庫在各工況運行水位下，主壩壩體上游混凝土護坡現狀板厚均大于計算所需厚度，故主壩壩體上游混凝土護坡強度滿足規范要求。

3.4 壩體沉降量計算分析

根據《水庫大壩安全評價導則》中5.2.2 條，裂縫分析可采用基于沉降觀測資料的傾度法。當缺乏觀測資料時，可利用沉降計算結果。

根據《碾壓土石壩設計規范》（SL274-2001）規定，粘性土壩體和壩基的沉降量可用分層總和法按式（4）計算：

式中：St為竣工時或最終壩體和壩基總沉降量；ei0為第i層的起始孔隙比；eit為第i 層相應于竣工時或最終的豎向有效應力作用下孔隙比；hi為第i層土層厚度；n為土層分層數。

該水庫2015 年除險加固工程對主壩壩體進行加高，現場檢查現場主、副壩體未出現明顯變形及裂縫，故沉降計算起始孔隙比綜合考慮采用該水庫工程地質勘察報告成果的孔隙比作為起始孔隙比，安全鑒定地勘成果提供的孔隙比作為最終孔隙比。文章在主壩壩頂處取a（ZK2）、b（ZK3）、c（ZK5）三點如圖3，每層土層厚度均取為5 m，分別計算沉降量，相同深度未作取樣試樣的，取臨近點數值，計算參數如下：

由上表可以看出，主壩三點沉降量分別為：Sta=-0.89 m；Stb=-0.46 m；Stc=-1.01 m。

縱向裂縫形成的過程是：開始時，壩橫斷面方向因不均勻沉降，在近于鉛直的方向上互相錯動。同時由于壩體橫斷面方向不均勻水平位移的發展，使破壞面兩側壩體互相分離，形成有一定寬度的裂縫。大量土壩原體觀測資料表明：無論土石壩變形如何復雜，水平位移差總是存在的，而且它的大小，與沉降差之比，常常為一個相當大的百分數。所以，對于一般壩體，因沉降差而造成的破壞面，一般都表現為不同寬度的裂縫。因此，可以從傾度的角度來分析沉降差的分布和發展。

圖3 水庫主壩計算點圖

表3 各壩段孔隙比計算參數值表

式中：ry為a、b兩點間的傾度（%）；ΔY為a、b 兩點間的水平距離；|Ya-Yb|為Ya-Yb的絕對值；ΔS=Sa-Sb，為兩點間自填筑之日起，至某一計算日期的沉降差。

設土層a、b 處的破壞臨界傾度為rc，如果計算出來的傾度ry＞rc，則認為該處的土層要發生錯動破壞面；如果ry=rc，該處的土層處于產生破壞的極限狀態；如果ry＜rc，則認為該處土層將不產生破壞面。關于rc值的變化范圍值約在1%左右。將數據代入公式（5）得到結果：

主壩：ΔYab=46.05 m，ΔSab=-0.44 m，ryab=-0.95%，ΔYbc=72.13 m，ΔSbc=0.55 m，rybc=0.76%。

根據同樣方法可得副壩的沉降量為：ΔYde=18.41 m，ΔSde=0.13 m，ryde=0.72%，ΔYef=18.04 m，ΔSef=-0.05 m，ryef=0.27%從結果可知：從2012-2018年，主、副壩各計算點的傾度均＜1%，故主副壩沉降滿足規范要求。

3.5 大壩結構安全復核結論

抗滑穩定復核計算結果表明，主壩斷面在正常運用工況下，壩坡的抗滑穩定最小安全系數為1.50＞1.43，達到A 級；在非常運用工況下，壩坡的抗滑穩定最小安全系數為1.35＞1.32，達到A級。副壩斷面在正常運用工況下，壩坡的抗滑穩定最小安全系數為2.52＞1.43，達到A 級；在非常運用工況下，壩坡的抗滑穩定最小安全系數為2.431＞1.32，達到A級。

根據護坡強度計算，主壩壩體上游混凝土護坡強度滿足規范要求：副壩上游砂漿砌筑透水磚護坡厚度無法得知，但現狀透水磚護坡平整度較好，無破損，現場未發現異常現象。壩體沉降量計算分析表明，大壩沉降計算結果滿足規范要求。根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258—2000）附錄B對大壩安全綜合評價，該水庫大壩結構安全性評價為A級。

4 結論及建議

經評定，該水庫綜合安全評價為二類壩，針對本水庫存在的安全問題，提出如下建議：①對主壩壩后階梯破損處、馬道裂縫處進行修復加固；②建議鑒定的復核值作為水庫特性采用值；③加強對水庫大壩建筑物進行定期運行管理和維護。