水庫壩頂?shù)缆妨芽p影響因素分析

吳圣賢 張志彪

（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 水庫壩頂?shù)缆犯艣r

大通水庫位于安徽省天長市西北，屬淮河銅龍河水系，流域?qū)偾鹆甑匦巍８鶕?jù)現(xiàn)場調(diào)查取樣發(fā)現(xiàn)，自2019 年開始壩頂?shù)缆烦霈F(xiàn)開裂、上游側(cè)混凝土護(hù)坡斷裂、放水涵檢修便橋基礎(chǔ)沉降等現(xiàn)象。現(xiàn)狀混凝土路面整體混凝土路面向壩外傾斜，局部混凝土路面向壩外傾斜明顯，兩側(cè)落差約15～25mm。局部路面出現(xiàn)不同程度的裂縫、斷裂現(xiàn)象，上下錯位約10～60mm，最大為61mm。

2 計算分析

2.1 滲流穩(wěn)定影響分析

本文選取壩高最高處和大壩疑似沉降滑移處共兩處作為典型斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定計算，應(yīng)用河海大學(xué)編制的水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)程序計算正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位下的穩(wěn)定滲流場，根據(jù)滲流穩(wěn)定計算成果，典型斷面在各種工況下壩基的滲透坡降值和壩坡出逸坡降值見圖1～圖4。

圖1 最高處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（未考慮截滲墻）

圖2 裂縫處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（未考慮截滲墻）

圖3 最高處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（考慮截滲墻）

圖4 裂縫處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（考慮截滲墻）

從計算結(jié)果看出，考慮截滲墻作用后，大壩最高處計算最大壩內(nèi)水平滲透坡降在0.02～0.12 之間，壩腳出逸坡降在0.14～0.25 之間，均小于對應(yīng)的允許坡降值，滿足規(guī)范要求，且出逸坡降較未考慮截滲墻作用時減小。

考慮截滲墻作用后，裂縫處計算最大壩內(nèi)水平滲透坡降在0.001～0.09 之間，壩腳出逸坡降在0.004～0.292 之間，均小于對應(yīng)的允許坡降值，滿足規(guī)范要求，且出逸坡降較未考慮截滲墻作用時減小。

2.2 抗滑穩(wěn)定影響分析

該大壩穩(wěn)定復(fù)核，斷面位置同滲流計算一致。采用總應(yīng)力法公式，運(yùn)用河海大學(xué)編制的土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)程序，采用畢肖普法分析計算壩坡穩(wěn)定性。不考慮截滲墻作用時，穩(wěn)定計算成果見圖5、圖6；考慮截滲墻作用時，穩(wěn)定計算成果見圖7、圖8。

圖5 最高處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（未考慮截滲墻）

圖6 裂縫處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（未考慮截滲墻）

圖7 最高處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（考慮截滲墻）

圖8 裂縫處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（考慮截滲墻）

從圖中可以看出，不考慮截滲墻作用時，各種工況下，大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，穩(wěn)定滲流條件下大壩是安全的。考慮截滲墻作用時，各種工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)稍有增加并均大于規(guī)范要求。

2.3 沉降影響分析

根據(jù)滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定計算成果，裂縫處的滲流和抗滑安全均滿足要求。根據(jù)現(xiàn)狀情況和相關(guān)計算復(fù)核，初步判定壩頂?shù)缆烽_裂因壩身填土沉降不均引起。擬通過對該壩段進(jìn)行沉降計算模擬2019年水位較低情況下壩身的沉降情況。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）中規(guī)定，壩身沉降量可按下式計算：

式中：

S—最終沉降量，mm；

n—壓縮層范圍的土層數(shù)；

e1i—第i 土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；

e2i—第i 土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；

hi—第i 土層的厚度，mm；

m—修正系數(shù)，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.6。

壩基壓縮層的計算厚度，可按下式確定：

式中：

σB—堤基計算層面處土的自重應(yīng)力，kPa；

σZ—堤基計算層面處土的附加應(yīng)力，kPa。

計算結(jié)果見表1。

表1 壩頂?shù)缆烽_裂段沉降量計算成果表

3 影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)場情況和計算復(fù)核成果，計算最終沉降量結(jié)果與實(shí)際觀測最大沉降量相比偏小（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)孔隙比為推定值，與實(shí)際填土孔隙比有較大差異）。根據(jù)裂縫段地質(zhì)條件、土體力學(xué)性質(zhì)及路面結(jié)構(gòu)狀況等，綜合分析裂縫成因如下：

3.1 壩基地質(zhì)條件不佳

勘探揭露部分鉆孔（混凝土路面斷裂、上下錯位最大位置）在5.7～6.3m 深度及7.7～8.3m 深度壩基有軟塑狀重粉質(zhì)壤土分布，壩基存在軟弱土層，易造成壩體沉降變形。

3.2 壩身填土的弱膨脹性及惡劣氣候的影響

地質(zhì)勘探過程中鉆孔揭露，混凝土路面裂縫變形嚴(yán)重部位壩身填土主要為02 層人工填土（重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土），02 層壩身填土具弱膨脹性，地表水入滲后，膨脹土“遇水膨脹、失水收縮”的特征導(dǎo)致壩身表層土體強(qiáng)度降低、壩身固結(jié)沉降。

2019 年大旱時期壩身土體失水較多，壩身沉降、道路開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，2020 年汛期水庫水位較高，水庫水及地表水入滲后，土體抗剪強(qiáng)度降低，干濕交替作用下壩身開裂繼續(xù)發(fā)展。

3.3 截滲墻的不利影響

對土體水位的影響：截滲墻施工前大壩內(nèi)同一高程下土體水壓相差不大，孔隙比接近；截滲墻建成后墻前、墻后水位變幅較大，墻后土體水壓衰減明顯，孔隙比減小，造成累計沉降。

對路面結(jié)構(gòu)支撐剛度的影響：據(jù)現(xiàn)場勘探，路面結(jié)構(gòu)以下，靠近大壩防撞墻側(cè)壩體為多頭小直徑截滲墻水泥漿，其余壩體為人工填土及壩基②層重粉質(zhì)壤土，路面結(jié)構(gòu)底部支撐剛度不均。考慮水利工程路面結(jié)構(gòu)層均較為單薄，路基剛度不均對混凝土路面結(jié)構(gòu)的不利影響進(jìn)一步放大。車輛碾壓路面后導(dǎo)致混凝土板塊傾斜、轉(zhuǎn)動、開裂，甚至斷裂。

4 結(jié)論

綜上分析可知，在壩基地質(zhì)條件不佳、壩身填土的弱膨脹性及惡劣氣候的影響、截滲墻的不利影響等較多不利因素綜合作用下，壩體路面及壩身局部出現(xiàn)裂縫并呈全面發(fā)展態(tài)勢。因此，通過此次分析結(jié)論，可為今后的水庫大壩道路的安全設(shè)計提供工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)