土石壩砂巖壓重除險加固處理壩坡穩定性分析

盧鳳麗

(遼寧省本溪市水庫移民管理局，遼寧 本溪 117000)

小型水庫是幫助農村新興經濟體應對水資源快速增長需求、調節河川徑流緩解區域水資源時空分布不均而分布在中小河流上的控制性水利工程，對其合理開發利用是加強農村水利基礎設施建設、構建和諧新農村和實現鄉村振興的重要保障。小型水庫在新農村安全飲水、精準扶貧、抵御洪澇災害和抗旱應急救災等方面均發揮非常重要作用。截至2018年底，全國已建成小型水庫94 132×104座以上，總庫容710×108m3。其中，土石壩以其結構簡單、地基變形適應性強、施工簡便和就地取材等優點，作為小型水庫主流壩型得到廣泛推廣應用和快速發展，占已建壩數量的90%以上[1]。我國土石壩大多建于上世紀50-70年代，受當時建設技術經濟水平、建設標準和施工技術等因素的制約，很多水庫大壩存在“先天不足、后天失調”現象，加上服役年限的增長，大壩設計標準偏低、結構穩定和剛度不足、壩基和壩體裂縫滲漏等病險問題日益突出，急需采取合理除險加固措施消除安全隱患[2-3]。

目前，關于土石壩壩坡滲流穩定的研究已較多，但大多以大中型土石壩工程為主，而對于小型土石壩尤其是除險加固修復后壩體的滲流穩定的研究相對較少。壩坡失穩主要工程措施有加高培厚、削坡減載和坡腳壓重等，其中坡腳壓重是通過在坡腳施加砂巖等重物以抑制和處理坡腳地基產生的弧形滑移，提高壩坡穩定性的一種有效且經濟的除險加固措施。鑒于此，本文以松坡水庫為例，針對存在的上游壩坡失穩問題，設計采用砂巖坡腳壓重方式進行病險處理，并計算分析加固修復后大壩上游壩坡的穩定性，以驗證砂巖坡腳壓重加固方案的合理性和有效性。

1 工程概況

海南省松坡水庫位于瓊中縣黎母山鎮境內，壩址以上集雨面積5.3 km2，現狀正常蓄水位629.35 m，正常蓄水庫容326×104m3；設計洪水位629.85 m，對應庫容387.5×104m3；校核洪水位630.15 m，總庫容423.5×104m3；興利庫容201.7×104m3。水庫工程任務以農業灌溉為主，兼顧引水發電和城市供水，設計灌溉面積168.95 hm2,實際灌溉面積125.75 hm2。大壩樞紐由均質土壩、左岸溢洪道和取水兼放空設施等3部分組成。

2 加固前壩坡穩定性分析

松坡水庫均質土壩由于前期勘探不全、設計標準偏低和施工填筑質量較差以及運行管理措施落實不到位等，大壩質量隱患逐步惡化，存在壩體局部滲漏、壩腳多處散浸點、上游壩坡滑移變形等安全隱患，給下游居民人身財產安全造成威脅[4]。為了準確掌握大壩病險狀況，根據《水庫大壩安全鑒定辦法》(2003年)相關要求，結合大壩工程特性，采用簡化畢肖普法對加固前大壩壩坡的穩定性進行分析[5]。

2.1 壩體結構及材料參數

松坡水庫大壩為均質土壩，是利用當地土石材料填筑而成擋水壩。壩頂高程630.75 m，壩頂寬5 m，壩高22.5 m，壩基高程608.25 m，未設防浪墻。大壩上下游壩坡坡比分別為1∶2和1∶2.25，排水棱體采用1∶1坡比的干砌石結構。大壩填筑土體材料主要物理力學參數為：天然容重20.1 kN/m3；飽和容重20.6 kN/m3；飽和狀態的固結快剪試驗測得指標為：黏聚力平均值C=16.9 kPa，內摩擦角平均值φ=14.7°；非飽和狀態的固結快剪試驗測得指標為：黏聚力平均值C=19.1 kPa，內摩擦角平均值φ=15.5°；滲透系數k=5.83×10-5cm/s。

2.2 計算工況

根據《水庫大壩安全鑒定辦法》(2003年)和《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)中穩定性分析相關要求[6]，大壩除險加固前后穩定性分析設置5種工況，即：

1) 穩定滲流期大壩上下游壩坡處抗滑穩定，包括：①正常運用工況1：正常蓄水位(629.35 m)條件；②正常運用工況2：設計洪水位(629.85 m)條件；③正常運用工況3：校核洪水位(630.15 m)條件。

2) 非穩定滲流期大壩上下游壩坡處抗滑穩定，包括：①非常運用工況1：由校核洪水位(630.15 m)驟降至正常蓄水位(629.35 m)條件；②非常運用工況2：由正常蓄水位(629.35 m)驟降至死水位(625.92 m)條件。

2.3 加固前穩定性分析

基于極限平衡原理，結合上游壩坡滑移不穩現狀，采用圓弧滑動簡化畢肖普法(Bishop)進行滑裂土體抗滑穩定性分析，安全系數計算成果見圖1和表1。

圖1 加固前大壩穩定滲流期(正常蓄水位629.35 m)浸潤線及滑裂面

表1 上游壩坡加固前抗滑穩定分析成果

從表1中的大壩加固前安全鑒定可知，上游壩坡在各運用工況條件下其穩定性均小于規范指標，尤其在非常運用工況2(由正常蓄水位629.35 m驟降至死水位625.92 m條件下)，上游壩坡的穩定性安全系數僅有0.97，遠低于規范指標。說明上游壩坡穩定性較差、安全隱患較大，而下游壩坡各工況條件下安全系數均滿足規范要求，穩定性好且安全富裕度大。因此，大壩除險加固需重點進行上游壩坡加固修復處理。

3 上游壩坡除險加固及穩定性分析

3.1 上游壩坡除險加固方案

結合現場踏勘和鉆孔取芯樣試驗結果，判斷大壩上游主要發生了弧形滑移。綜合考慮工程特性和水庫大壩除險加固常用工程措施，設計優選砂巖壓重來抑制和處理壩坡坡腳地基產生的弧形滑移，以提高上游壩坡穩定性，除險加固方案見圖2。

圖2 上游壩坡砂巖壓重除險加固方案

上游壩坡砂巖壓重體底部與壩基基巖高程608.25 m平齊，頂寬4.5 m，高3 m，迎水面坡比1∶2，背水面與壩坡貼近。砂巖壓重體材料主要物理力學參數為：天然容重24.6 kN/m3；飽和容重25.6 kN/m3；飽和狀態的固結快剪試驗測得指標為：黏聚力平均值C=5.96 kPa，內摩擦角平均值φ=29.8°；非飽和狀態的固結快剪試驗測得指標為：黏聚力平均值C=9.9 kPa，內摩擦角平均值φ=31.8°；滲透系數k=3.97×10-3cm/s。

3.2 加固后穩定性分析

土石壩穩定計算主要分析水位以上壩坡的滲流壓力，而對于水位以下壩坡部分，為了簡化計算可以將其視為一個有重量無強度的特殊剛體。按2.2節中設置的5種計算工況，采用理正軟件簡化畢肖普法(Bishop)，計算得到上游壩坡砂巖壓重加固處理后的土石壩滲流穩定分析成果，見圖3和表2。

圖3 上游壩坡加固后浸潤線及滑裂面示意

表2 上游壩坡加固后抗滑穩定分析成果

由表1和表2對比分析可知，上游壩坡采用砂巖壓重處理后，安全系數分別由1.18、1.16、1.21、1.11和0.97增加至1.39、1.51、1.62、1.53和1.36，全部滿足規范指標要求且增加明顯，壩坡穩定性得到有效提高。

為分析砂巖壓重對壩體浸潤滲流穩定的影響，對比加固前后大壩穩定滲流期(正常蓄水位629.35 m)浸潤線及滑裂面分布情況，見圖1和圖3(a)。結果表明，上游壩坡采用砂巖壓重加固處理后，壩體內部浸潤線分布未發生明顯改變，而滑裂面分布則發生明顯改善。加固處理后，滑裂面剪出口由加固前的壩坡坡腳處明顯抬升到砂石壓重體頂部高程與壩坡交點處，壩坡坡腳地基產生的弧形滑移得到有效抑制和處理。

4 結 語

針對松坡水庫均質土壩上游壩坡圓弧滑移不穩問題，基于極限平衡原理，采用理正軟件簡化畢肖普法(Bishop)對采取砂巖壓重加固處理前后的上游壩坡穩定性進行論證分析，得到以下主要結論：

1) 大壩加固前下游壩坡穩定性較好，而上游壩坡穩定性較差，不滿足規范指標要求，急需采取相應除險加固措施進行病險處理。

2) 結合安全鑒定結果及工程病險現狀，設計采用砂巖壓重加固措施對上游壩坡弧形滑移進行抑制和處理。

3) 上游壩坡采用砂巖壓重加固處理后，各工況條件下的安全系數增加明顯且均大于規范指標，壩坡穩定性得到全面提高。壩體內浸潤線分布未發生明顯改變，而滑裂面剪出口則明顯抬高且趨于穩定，壩坡不穩問題得到有效處理。