板橋水庫主壩結構安全分析

周克發，張士辰

（南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所，江蘇南京 210029）

1 工程概況

板橋水庫位于河南省駐馬店市泌陽縣板橋鎮境內的淮河支流汝河上游，是一座以防洪、灌溉為主，結合發電和養殖等綜合利用的大（2）型水庫，總庫容6.75億m3。該水庫始建于1951～1952年，1956年加固及擴建。1975年8月，水庫漫頂潰壩，導致原河床部位形成一上部寬約370 m、下部寬約210 m的潰口。1978～1992年在原壩址對潰壩殘留工程進行了復建。2008年大壩安全鑒定，洪水復核[1]按重現期100 a洪水標準設計，設計洪水位117.76 m；按重現期5 000 a洪水標準校核，校核洪水位118.92 m；按重現期10 000 a洪水保壩，保壩水位119.63 m。擋水建筑物包括北主壩、南主壩、北副壩、南副壩、南岸原副溢洪道堵壩、秣馬溝副壩、混凝土溢流壩等。大壩全長3 720 m，其中主壩2 300 m，副壩1 420 m。

主壩為粘土心墻砂殼壩，由南主壩和北主壩組成，壩頂寬8.0 m。上游壩坡復建工程中加高部分坡比為1∶2.5，接原殘留壩坡1∶2.6、1∶3.0，采用干砌塊石護坡；下游壩坡坡比為1∶2.0或1∶2.5或1∶3.5，設50 cm厚的草皮護坡；下游壩腳處設碎石貼坡排水。上游壩殼礫質粗砂與干砌塊石護坡之間設有兩層各20cm厚的反濾保護層，第一層粒徑0.5～2.0 cm，第二層粒徑2.0～8.0 cm；下游壩體或壩基土與碎石貼坡排水之間設兩層各厚25 cm的反濾保護層，第一層粒徑0.5～2.0 cm，第二層粒徑2.0～8.0 cm，與上游反濾料類型相同。

2 主壩運行中出現的問題和處理情況

1995年1月5日，南主壩的南裹頭護坡滑塌。1995年11月8日，南主壩護坡水毀；2000年12月13日，南北主壩護坡水毀塌陷。1995～1997年利用100號水泥砂漿對復建新砌干砌塊石護坡105.00～110.00 m高程范圍進行表面粘結；2001年利用200號細石混凝土對110.00～115.30 m高程范圍內復建新砌的干砌塊石護坡進行灌縫粘結[2]。目前，主壩無結構失穩情況，壩體變形較穩定，壩頂及防浪墻無明顯裂縫；各種排水、導滲設施無斷裂、損壞、阻塞、失效現象，排水暢通；護坡整體砌塊完好，砌縫緊密，未見大面積松動、塌陷、脫落、風化、凍毀、架空現象[3]。

3 主壩變形評述

主壩僅北主壩設有變形監測設施。水平位移因觀測儀器精度低，已停測；豎向位移每年4月和10月各觀測一次，觀測資料序列為1992年4月～2008年10月。

3.1 豎向位移評述

經對豎向位移觀測資料進行分析[4]，北主壩豎向位移有以下變化規律。

（1）壩頂在1991年底主體工程竣工后的4 a內沉降較快，尤其是原導流明渠部位新回填的壩體（樁號0+800～1+200）沉降稍大，年沉降速率9.1～12.2 mm/a。北臺地（樁號0+100～0+800）復建工程是在殘留粘土心墻削坡加高、培厚形成的，新填壩體部分僅高約10 m，北臺地壩段沉降量相對較小，沉降速率1.1～6.6 mm/a。

1995年底以后，導流明渠新填壩段壩體沉降速率略大，沉降速率1.0～3.7 mm/a，最大累計沉降量約161.73 mm（發生在樁號1+199.80處），其值在設計允許范圍（20 cm）內，沉降現呈收斂狀態發展。北臺地土壩壩頂沉降速率較小，沉降速率一般為0.9～0.2 mm/a，目前沉降變化趨于穩定，最大累計沉降量約123.4 mm（發生在0+800壩頂處）。

另外，2001年壩頂沉降點出現臺階性躍變，原因是所引據的水準基點遭破壞，后對1號工作基點進行校核，基點高程發生變化，導致累計沉降量增大。

（2）北臺地壩頂沉降與地形輪廓線較一致。樁號0+800～1+200壩段壩頂沉降量較大，主要與其壩身較高及原導流明渠段為新填壩體有關。樁號1+200～1+311.47壩段沉降量較小，主要與該壩段測點位于北裹頭附近、壩體內多為混凝土刺墻結構有關。其它壩頂測點沉降量變化平緩。

3.2 壩頂縱向傾度評述

根據測點沉降量估算壩頂縱向傾度，計算成果[4]見表1。1992年4月～2008年10月沉降發展過程中，測點間傾度較小，最大值0.157%，依據工程經驗，壩頂發生橫向裂縫可能性不大。

4 主壩結構抗滑穩定分析

4.1 計算斷面與參數

選擇北主壩0+800斷面、1+000斷面（導流明渠）以及南主壩1+580斷面作為抗滑穩定計算分析斷面。計算簡圖見圖1。

計算指標參數主要根據1951～1952年初建、1954年裂縫檢查、1978～1992年復建三期工程地勘資料及施工中壩體取樣試驗資料[5]，并參考相關設計資料、各分區填筑質量及其它類似工程經驗，綜合確定。壩坡穩定分析輸入參數見表2。

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[6]，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》，板橋水庫壩址工程區地震動峰值加速度為0.05 g，相應的地震基本烈度為6度。按規范要求，主壩不需進行抗震安全復核。根據現狀運行情況及規范，本次對主壩上、下游坡進行了抗滑穩定計算分析。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情況下的主壩上、下游坡抗滑穩定性，具體計算工況見表3。

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主壩滲流計算分析結果[7]并結合監測資料分析[4]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。

4.4 計算結果分析

表1 主壩頂縱向傾度計算成果Table1:Calculation result of longitudinal inclination of main dam crest

圖1 主壩計算簡圖Fig.1 Main dam cross sections

表2 穩定分析選用物理力學指標表Table 2:Physical-mechanical properties of the material in calculation

表3 主壩抗滑穩定計算安全系數成果Table 3:Safety coefficients for structural stability computation against sliding

根據規范[6]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。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。

抗滑穩定計算結果見表3。由表3可見，主壩在正常運用條件及非常運用工況I條件下，壩坡靜力抗滑穩定安全系數均大于規范要求值。因此，主壩抗滑穩定滿足規范要求。

5 其他結構安全問題

5.1 壩頂寬度和超高復核

南主壩、北主壩壩頂寬度8.0 m，滿足規范[6]中對低壩壩頂寬度5.0～10.0 m的規定。根據防洪復核，現狀壩頂超高滿足防洪安全要求；防滲心墻頂設有防浪墻，且正常蓄水位低于心墻頂高程，現狀防滲體頂超高滿足防洪安全要求。

5.2 護坡穩定性評價

北主壩、南主壩上游坡均采用干砌石護坡，下游壩段主要采用草皮護坡。運行過程中，南、北主壩曾因護坡厚度不足，出現護坡水毀和滑塌的情況，采用水泥砂漿表面粘結或細石混凝土灌縫粘結的方式加固處理。從運行情況看，近期運行情況良好；從此次現場檢查情況看，護坡外觀完整、無明顯破損情況。

6 結論和建議

綜上所述，目前主壩運行狀態良好，壩體沉降已基本穩定，壩體產生裂縫的可能性較小；壩坡抗滑穩定安全基本滿足規范要求；壩頂寬度和超高滿足規范要求，護坡穩定性良好。建議繼續加強對主壩的監測和檢查，及時對觀測資料進行整編分析，加強安全管理，保障主壩工程安全。

[1]南京水利科學研究院.板橋水庫洪水復核和防洪安全評價報告[R].2008.

[2]駐馬店市板橋水庫管理局.駐馬店市板橋水庫大壩運行管理報告[R].2008.

[3]板橋水庫現場安全檢查專家組.河南省駐馬店市板橋水庫現場安全檢查報告[R].2008.

[4]南京水利科學研究院.駐馬店市板橋水庫大壩安全監測資料分析報告[R].2008.

[5]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.

[6]南京水利科學研究院.河南省駐馬店市板橋水庫大壩工程質量安全評價報告[R].2008.

[7]南京水利科學研究院.河南省駐馬店市板橋水庫土壩滲流、結構穩定分析報告[R].2008.