門樓水庫主壩結構穩定分析

王志濤，湯壽江，周克發

(1.門樓水庫管理局，山東煙臺264000；2.南京水利科學研究院，江蘇南京210029）

1 工程概況

門樓水庫位于山東省煙臺市大沽夾河西支流內夾河（又名清洋河）下游，距福山城區11 km，控制流域面積1079 km2，總庫容2.32億m3，興利庫容1.264億m3，死庫容0.1億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼有供水、養殖等綜合利用的大（2）型水庫。工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級。水庫樞紐工程包括主壩、副壩、溢洪道、東放水洞、西放水洞。2007年安全鑒定，按國家現行GB50201-94《防洪標準》，水庫設計洪水標準為重現期100年，校核洪水標準為重現期10000年。水庫正常蓄水位為30.68 m，設計洪水位31.55 m，校核洪水位34.60 m，死水位20.50 m。主壩為粘土心墻砂殼壩，壩頂長1440 m，壩頂高程37.10 m，最大壩高23.22 m，粘土心墻頂高程為36.70 m。主壩樁號0+139.6～0+852.4段混凝土防滲墻位于下游壩坡，墻體中心線距離壩頂中心線11.78 m，墻厚0.8 m，嵌入基巖深度1～2.2 m。主壩最大壩高斷面見圖1。

2 主壩壩體工程質量綜述

主壩先后于1979年和1994年進行了地勘試驗，現將其綜合如下。

（1）心墻

圖1 主壩0+350斷面圖（單位：m）Fig.1 Cross section of main dam 0+350

心墻土料主要為粉質粘土，部分地段夾有粘土，呈土黃～土褐色，含少量碎石及粗砂顆粒。主要物理力學指標平均值：樁號0+000～0+571段，含水率21.14%，干密度1.68 g/cm3，孔隙比0.621，飽和度93.38%；0+571～1+440段，含水率20.94%，干密度1.70 g/cm3，孔隙比0.608，飽和度93.65%。心墻土料平均貫入擊數17.7擊，滲透系數為1.1×10-6～1.98×10-6cm/s，滿足規范“心墻和斜墻不大于1×10-5cm/s”的要求，粘土心墻質量較好。1986年上部防滲體施工時，粘土心墻填筑干密度為1.69 g/cm3，滲透系數為1.98×10-6cm/s；上游壤土防滲體干密度1.65 g/cm3，滲透系數為3.2×10-5cm/s。滲透系數也滿足規范要求。假設心墻粘土最大干密度按1.70 g/cm3計，則心墻壓實度為98.8%；防滲壤土按1.68 g/cm3計，則壓實度為98.2%。防滲體壓實度滿足規范要求。從主壩的總體沉降變形也可看出，壩體本身的填筑壓實度高，沉降量較小。

（2）砂殼

砂殼主要為礫質中、粗砂和細砂，質純、分選性差，主要成分為長石、石英。上游坡主要為細砂，部分為含礫中粗砂，標貫擊數平均值約13.5擊，相對密度0.47，屬中等緊密狀態。下游坡則均為礫質中、粗砂，平均貫入擊數12擊，相對密度0.49，屬中等緊密狀態。壩殼砂料的相對密度指標低，不滿足規范“不應低于0.70”的強制性條文要求。

3 主壩變形評述

變形觀測資料已散失。僅三查三定資料中有部分描述，壩體沉降規律符合土石壩一般沉降規律，前期沉降速率大、沉降量大，后期沉降速率變緩、沉降速率小。大壩建成至1964年設立變形測點前，主壩最大累計沉降150 mm；自1964年8月開始沉降觀測至1975年，主壩累計觀測最大沉降量約104 mm，位于河床處壩頂，該處為壩體合龍處，同時在合龍時采用了水中倒土施工，故沉降量相對較大。假設此前的150 mm累計沉降也發生于該斷面，則該處壩頂此時的沉降率約為0.7%，沉降率相對較低，也反映了主壩填筑質量較好。從隨時間的沉降增量看，以主壩原22號點為例，1964～1965年為34 mm，1965～1966年為12 mm，1966～1967年為5 mm，1967～1973年為23 mm，1973～1974年、1974～1975年均為0 mm，可見主壩沉降在1980年以前已經基本穩定，這也反映出壩體填筑質量相對較好、壩基基本無大的可壓縮性土層。

4 主壩壩坡抗滑穩定分析

4.1 計算斷面與參數

選擇主壩0+350斷面作為抗滑穩定計算分析斷面。主壩0+350計算斷面的壩體土料簡化成6個區：上游坡砂殼、下游坡砂殼、壩體壤土、心墻粘土、壩基砂礫石和壓重石渣。主壩0+350斷面的各土層物理、力學參數基于1979年主壩0+170斷面和0+280斷面地勘資料選取，同時參考1996年加固設計中主壩坡穩定計算參數，壩坡穩定分析輸入參數見表1。

4.2 計算方法與工況

計算方法采用計及條塊間力的簡化畢肖普法[1]，選擇圓弧型滑裂面進行分析。根據GB18306-2001《中國地震動參數區劃圖》，門樓水庫壩址工程區地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應譜特征周期值為0.40 s，相應的地震基本烈度為7度。根據現狀運行情況及規范，本次對主壩上、下游坡進行了靜力及抗震穩定計算分析，地震荷載按擬靜力法確定。由于沒有動力強度指標，抗震穩定計算參數近似取靜力計算指標值。計算程序為中國水利水電科學研究院開發的STAB95穩定分析軟件。根據水庫具體情況及規范要求，主要分析正常運用、非常運用I、非常運用Ⅱ下的主壩上、下游坡抗滑穩定性，具體計算工況見表2。

表1 大壩穩定分析選用物理力學指標表Table 1:Physical-mechanical properties of the material in calculation

4.3 孔隙水壓力確定

穩定滲流期的壩體內部孔隙水壓力根據2007年5月大壩安全鑒定主壩滲流計算分析結果[2]并結合地勘[3]綜合確定；庫水位降落期的壩體內部孔隙水壓力根據規范采用近似方法確定。主壩上游坡為砂殼，庫水位驟降后，假設壩殼內的孔隙水壓力迅速消散。抗震穩定計算中，孔隙水壓力的確定與靜力穩定分析相同。

表2 抗滑穩定計算安全系數成果表Table 2:Safety coefficients for structural stability against sliding

4.4 計算結果分析

根據規范[1]要求，對2級建筑物采用簡化畢肖普法分析時：正常運用條件下，壩坡抗滑穩定安全系數應不小于1.35；非常運用條件I下，壩坡抗滑穩定安全系數應不小于1.25；非常運用條件Ⅱ下，壩坡抗滑穩定安全系數應不小于1.25。對上游坡水位降落情況，當同時采用總應力法與有效應力法進行分析時，應以較小的安全系數作為依據。

穩定計算結果見表2。由表2可見，除下游坡在設計洪水位正常運用條件下的靜力抗滑穩定安全系數1.333稍小于規范要求值1.35外，主壩上、下游壩坡在其他計算工況中的抗滑穩定安全系數均大于規范要求值，可以認為主壩抗滑穩定安全基本滿足規范要求。

5 液化分析

5.1 壩基覆蓋層

主壩壩基覆蓋層主要為第四紀砂礫層，厚3～12 m，需要對處于飽和狀態的砂礫層進行可液化判別。根據地勘試驗成果[3]，該層試樣室內試驗平均貫入擊數21擊，屬較緊密狀態，平均相對密度為85%。根據規范，采用相對密度法進行判別，在7度地震設防烈度條件下，當相對密度大于70%時，可判別為不可能液化土。因此，壩基第四紀砂礫層覆蓋層可判別為不可能液化土。

5.2 壩殼砂礫料

對處于上游壩殼的砂礫料，根據地勘[3]，其標貫擊數平均值約13.5擊，屬中等緊密狀態，相對密度為47%，低于規范要求的70%，故判為可能液化土。

6 其它結構安全問題

6.1 壩頂寬度復核

目前主壩壩頂寬10.5～13.1 m，滿足規范要求。

6.2 上游護坡穩定性評述

根據運行及現場檢查，主壩上游護坡塊石尺寸偏小，護坡松動、塌陷較嚴重，護坡墊層反濾砂石多數流失。上游護坡不能長期安全可靠運行。

6.3 近壩庫岸穩定性評述

近壩庫岸運行至今基本穩定，無較大滑坡、崩塌等地質災害發生，近壩庫岸基本穩定。

7 結語和建議

綜上所述，目前主壩沉降已基本穩定，壩坡抗滑穩定安全基本滿足規范要求，壩頂寬度滿足規范要求，近壩庫岸基本穩定，但上游護坡存在凹陷、填筑質量差，且上游壩殼砂礫料為可能液化土，存在地震液化的可能。建議針對可能液化土進行處理，修復上游護坡，并完善大壩變形觀測，加強大壩安全管理，保障大壩工程安全。■

[1]中華人民共和國水利部.SL274-2001，碾壓式土石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社,2002.

[2]南京水利科學研究院.山東省煙臺市門樓水庫大壩滲流安全分析評價[R].2007.

[3]煙臺市水利建筑勘察設計院.山東省煙臺市門樓水庫大壩安全鑒定工程地質勘察報告[R].2007.