木葉寨水庫安全性評價★

蘇 桂 明

(廣西城市建設學校，廣西 桂林 541004)

1 工程概況及運行現狀

木葉寨水庫位于臨桂縣臨桂鎮西北方向，距國道321線5 km。水庫坐落在珠江流域桂江水系漓江的一級支流桃花江的上游支流，壩址以上集雨面積2.93 km2，總庫容223萬m3，灌溉面積0.18萬畝，是一個以灌溉為主，結合防洪、養魚等綜合利用的小型水庫。水庫由主壩、穿壩無壓放水涵管、副壩、溢洪道等建筑物組成，大壩為粘土壩。壩體剖面圖見圖1。木葉寨水庫于1957年動工興建，1958年年底竣工。水庫投入運行近50年來，為當地的工、農業生產和經濟建設做出了較大的貢獻。水庫運行期間進行過4次應急加固，但受當時技術水平等條件的限制，工程質量已經不滿足現行規范要求，使得水庫在運行時仍不斷有險情出現。不僅影響工程效益的正常發揮，同時也給下游人民生命財產的安全帶來嚴重的威脅[1]。因此，對水庫進行安全性評價，并分析隱患產生的原因，提出合理的治理措施是當前要解決的首要問題。

2 工程地質條件

2.1 庫區工程地質條件

庫區及壩址出露地層為石炭系下統巖關階(C1y)灰黑～灰白色泥巖，強～中風化，表層局部強風化，用手可捏碎，層理明顯，間距大小均一，從數毫米至數厘米。層理間填充紅褐色鐵質，垂直節理發育。殘積土為第四系(Q)殘積土，黃褐色。巖性為粘性土、粘性土夾20%～30%的泥巖碎石。庫區及壩址總體為一單心構造，無大斷層通過庫區，但受區域性大斷裂影響，小規模褶皺較發育。庫區地下水類型為基巖裂隙水和孔隙潛水，孔隙潛水賦存于第四系松散覆蓋層孔隙中，地下水受大氣降水的補給，向溝谷排泄。根據區域資料，地表水及地下水對混凝土及鋼結構無腐蝕性。

2.2 壩基工程地質條件

壩基未發現大的斷裂構造通過，工程地質條件較好，出露的地層為石炭系下統巖關階(C1y)，灰褐色泥巖，下伏巖體為強風化～中等風化狀態，較破碎。勘察結果表明，壩基巖體的透水率為5.97 Lu左右，屬弱透水性，因此壩基較穩定，作為土壩的基礎能滿足設計要求。

2.3 壩體工程地質條件

壩體粘土干密度為17.64 kN/cm3～19.11 kN/cm3，壓實度平均值為86.0%，不滿足規范要求，且壩頂寬度僅有3.0 m，凹凸不平。土壩填土為黃褐色～灰褐色粘土，含中風化～全風化泥巖和中風化～強風化砂巖。泥巖碎塊呈灰白色、紅褐色和灰黑色，粒徑一般為2 cm，含量為35%～60%。含少量有機質，硬塑，稍濕。粉粒與粘粒含量平均值68.1%，大于0.075 mm的砂與礫含量平均值31.9%，為泥巖風化的砂礫。根據室內滲透試驗測得土體的滲透系數為0.96×10-5cm/s～5.4×10-4cm/s，屬弱透水～微透水之間，滲透系數差異較大，土層很不均勻，均一性較差。現場注水試驗的滲透系數為2.58×10-5cm/s～7.78×10-5cm/s。綜合現場注水試驗和室內滲透試驗成果，土體的滲透系數為5.3×10-4cm/s，屬弱透水。

3 水庫壩體質量分析

木葉寨水庫大壩在當時的施工條件下，采用分工日分區域的施工方法，各區域投入勞力數量不同，使得施工進度快慢不一，壩體不是均勻增高，而是交錯上升，壩身內部交接縫甚多，許多部位碾壓不實，壩體質量沒有達到設計要求。根據大壩填土滲透試驗成果表明其滲透系數為5.3×10-4cm/s，滲透系數最大值為5.4×10-4cm/s，屬弱透水，根據SL 274—2001碾壓式土石壩設計規范，均質壩土料碾壓后的滲透系數不應大于1×10-4cm/s，因此壩體填土沒有達到防滲要求，存在安全隱患；根據SL 274—2001碾壓式土石壩設計規范，3級中、低壩及3級以下的中低壩壓實度應為96%～98%，對木葉寨水庫大壩填土進行了擊實試驗，其最大干容重為1.78 g/cm3～1.80 g/cm3，平均值為1.79 g/cm3；天然干容重為1.50 g/cm3～1.58 g/cm3，其壓實度為83.8%～88.3%，并沒有達到規范要求的96%～98%壓實度要求。根據現場觀測檢查，大壩內坡有裂縫，存在多處蟻穴，且大壩下游護坡塊石局部松動，凹凸不平，壩外坡右側邊導濾壩腳以上5 m處有滲漏，亦存在安全隱患。

4 滲流計算分析及安全評價

4.1 滲流計算分析

大壩的滲流安全問題，在大壩的整體安全中占有重要地位，水庫在蓄水投入運行后所遭受的破壞主要有滲流，滑坡和開裂，其中滲流最為主要，其他兩件事故也與滲流有關[2-4]，因此，對大壩進行滲流安全性分析與評價是十分必要的。

根據GB 50287—99水利水電工程地質勘察規范，結合本水庫主、副壩的重要性，安全系數均取1.5。主壩土層滲流參數表見表1。采用ANSYS和MATLAB計算軟件，用有限元法求解滲流水頭并計算滲漏流量。滲流有限元分析基本方程為：

(1)

其中,[K]為透水系數矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；{Q}為邊界流量對節點水頭的貢獻；t為時間。

表1 主壩土層滲流參數表

具體計算方法為：首先依據經驗定一條滲流自由面和滲出點，滲流自由面滿足第二類邊界條件(通過該面的流量為0)，求出水頭值H；比較滲流自由面的水頭值H和其位置高程z，是否滿足H=z，若不滿足，則用計算水頭值H去改變滲流自由面的z值，形成新的滲流自由面。反復上述計算步驟，直至滲流自由面上結點全部滿足|H-z|≤ε(ε為給定的精度，取0.01 m)。主壩計算工況選取見表2。各特征庫水位計算結果見圖2，關鍵部位的具體參數見表3。

表2 主壩滲流計算工況表

表3 主壩典型剖面滲流計算成果表

工況最大滲透比降位置最大滲透比降滲漏量/m3·(day·m)-1正常蓄水位184.23排水體底部0.450.46設計洪水位185.78排水體底部0.520.59校核洪水位186.16排水體底部0.600.75

4.2 安全評價

滲流計算表明，各種工況條件下，壩體內粘土浸潤線及下游出逸點較低；當庫水位從正常蓄水位184.23 m上升到校核洪水位186.16 m時，壩體粘土的最大滲透比降均不超過壩體粘土的滲透允許坡降J允許=0.649 8，因此不會發生流土變形破壞。滲流量由0.46 m3/day/m增至0.75 m3/day/m，以壩頂長89 m計，大壩日滲漏量約為40.94 m3～66.75 m3，年滲流量約為0.149萬m3～0.244萬m3，滲流損失較小。由此可判斷大壩滲流性態是安全的。地質勘查資料顯示，壩體粘土滲透系數不滿足規范要求的滲透系數k<10-4cm/s[3]，雖基礎為弱透水性，但壩底局部已存在滲漏點，若進一步發展，將會使壩體滲漏加劇，導致土顆粒流失，發生局部破壞，影響壩體安全。

5 穩定性計算分析及安全評價

5.1 穩定性分析

大壩邊坡穩定采用同濟大學曙光軟件及加拿大多倫多大學的邊坡穩定計算STAB6軟件，對大壩上游、下游壩坡采用剛體極限平衡法——瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進行穩定計算分析研究，針對各建筑物在運行過程中出現的問題，進行各種可能的荷載組合下的穩定性分析評價。其中正常組合：組合1：正常蓄水位184.23 m+壩體自重；組合2：設計洪水位185.78 m+壩體自重；組合3：最不利水位185.78 m+壩體自重。非正常組合：組合4：校核洪水位186.16 m+壩體自重；組合5：校核洪水位186.16 m驟降至堰頂高程184.3 m+壩體自重。選取主壩最大壩高剖面作為穩定分析的典型剖面，見圖3。

5.2 安全評價

通過計算，壩坡穩定成果見表4。

表4 大壩壩坡抗滑穩定計算成果表

采用剛體極限平衡法——瑞典圓弧法和簡化畢肖普法都能進行穩定計算分析研究，計算所得的大壩上下游正常運行工況下的壩坡抗滑穩定系數均能滿足規范要求，分析可知：工況的改變不影響壩坡的穩定安全性，即壩坡處于安全穩定狀態。

6 結語

通過上述對比分析后，對木葉寨水庫的安全性評價結論如下：

1)大壩在各種工況下滲流性狀雖處于安全狀態，但壩體粘土滲透系數并不滿足規范要求的滲透系數，使大壩存在著嚴重滲流隱患，因此，應及時對大壩進行防滲加固，杜絕滲漏隱患。

2)大壩上下游壩坡采用剛體極限平衡法——瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進行穩定計算所得安全系數均滿足規范，但由于畢肖普的簡化法考慮了土條間的相互作用力，因而肖普法進行穩定計算所得安全系數更為精確。

3)水庫大壩上下游壩坡在正常運用工況下壩坡是穩定的，但仍然存在著局部壩體質量缺陷，填筑質量的低劣是造成局部滑坡的主要原因，因此，在對壩體進行全面填筑質量檢查時，對有缺陷的部位應及時進行填補及加固，確保工程安全。

4)由于蟻穴形成集中滲流通道，將嚴重影響大壩的安全，因此，需采取積極有效的防御措施。

5)建議對大壩增設安全監測設施，監測大壩的運行狀況，及時了解大壩的安全性狀，進行及時處理。