南沙河水庫大壩結構安全分析

劉 濤

（1.山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

1 工程概況

南沙河水庫屬小（一）型水庫。樞紐工程包括大壩、溢洪道和泄洪洞工程。大壩為均質土壩，最大壩高33 m，壩頂寬18 m，壩長220 m，無排水設施。溢洪道位于大壩左端，為橋涵式溢洪道，進口由4孔橋式涵洞組成，進口底高程912 m，涵洞長19.5 m，每孔凈寬2.4 m，墩高0.7 m，拱高0.7 m，出口無消能設施。泄洪洞位于大壩右端，鋼筋混凝土箱式涵洞，斷面尺寸2.2 m×2.2 m，為無控制的自由泄水，進口底高程900 m，出口底高程898.7 m，縱坡為2%，洞長約65.0 m，設計最大流量40 m3/s。

2 大壩變形分析

經鑒定，南沙河水庫大壩施工質量不合格。壩體填土過程中對上壩土料的鋪墊厚度及碾壓次數控制不嚴格，且常有凍土埋入，無灑水、刨毛程序，填土干容重各部位和層次差別較大，孔隙率較高，無現場干容重檢測，大壩回填土干密度較低且極不均勻，說明土壩工程質量很差。通過探坑和探井取樣進行土工試驗分析，土壩干密度低，平均僅1.53 g/cm3。壩體土主要為低液限粉土，局部為低液限黏土，土質不均勻，干密度偏低，多具中等壓縮性，部分壩體土具濕陷性，壩體質量較差。本次校核，壩坡較原設計變形嚴重，壩體上游壩坡基本完好，下游壩坡雜草叢生，垃圾成堆，而且縱橫排水系統已損壞，無法起到排水作用。此外，壩體中發現有鼠洞，對大壩穩定不利，壩基未做任何防滲處理，有滲漏現象。

溢洪道出口段為土渠，抗沖刷能力弱，易形成沖刷坑，而且現有溢洪道出口處泄洪不暢，有1個孔及溢洪道部分被垃圾完全堵塞，影響正常泄洪。

泄洪洞埋置于壩體內，箱涵多處損壞，混凝土受損剝離，鋼筋外露，存在漏水問題。漏水有可能沿泄洪洞洞身與壩體土接觸處滲流，壩體土存在接觸沖刷隱患，對壩體穩定不利。

左壩肩上部為土質岸坡，巖體穩定性較好，經現場檢查，沒有發現不良現象。因左壩肩巖體中節理裂隙較發育，且有不同程度的張開，具中等透水性，級配不良礫和砂巖巖層為庫水滲漏層位，左壩肩存在繞壩滲漏問題。右壩肩上部為土質岸坡，巖體較穩定，經現場檢查，沒有發現不良現象。因右壩肩砂巖巖體中節理裂隙較發育，且有不同程度的張開，為庫水滲漏通道，右壩肩存在繞壩滲漏問題。

此次水庫變形復核結果表明，大壩壩頂南高北低，高程在913.5～919.7 m，大壩中間段高程915.1～915.5 m，基本維持原設計壩高915 m。溢洪道由開敞式溢洪道改建為橋涵式溢洪道，經現場測量，結構斷面尺寸基本維持原狀，沒有發生明顯變形。

庫區淤積較嚴重，目前實測庫區近壩庫底高程約900 m左右，基本與泄洪洞進口底板高程相同，庫區淤積厚達7.5 m左右。

3 大壩穩定分析

3.1 穩定計算工作條件

本次勘察在壩頂布置2個鉆孔，壩坡布置2個探井，共取原狀土樣36組，進行室內土工試驗。

顆粒組成：壩體土屬粉土，干密度1.53 g/cm3，最小值1.29 g/cm3，土粒比重2.70，其天然含水率7.9%～25.5%，平均值17.4%。從防滲能力考慮，滲透系數平均 1.80×10-5cm/s，大值平均值 4.03×10-5cm/s，為弱透水性。孔隙比均值0.707，壓縮系數均值0.23 MPa-1，具中等壓縮性。

壩體土在一定水力坡降下，發生滲透變形，形式為流土，其允許坡降確定為：當滲流自下而上滲出時，臨界坡降J按下式確定：

式中：GT——土粒比重，取2.70；

n——孔隙率，取41.4%。

將數值代入上式得J臨界＝0.996，安全系數為2.0，則 J允許＝0.498。

3.2 穩定計算方法

本次壩體穩定計算選用北京理正軟件公司設計的邊坡穩定分析計算軟件進行計算，計算方法為圓弧法中的簡化畢肖普法，采用有限元方法計算公式和穩定滲流期有效應力法，具體公式為：

式中：k——壩坡穩定安全系數；

b——條塊寬度，m；

w1——在壩坡外水位以上的條塊實重，kN；

w2——在壩坡外水位以下的條塊實重，kN；

μ——穩定滲流期或庫水位降落期壩體或地基中的孔隙水壓力，kPa；

z——壩坡外水位離條塊底面中點的距離，m；

β——條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；

rw——水的重度，kN/m3；

c′，準′——土的抗剪指標。

3.3 穩定計算參數確定

鑒于水庫的工程地質特點,本次大壩安全復核計算參數的選取主要根據本次對壩體挖探坑取土樣試驗成果資料及以往建庫經驗并參考有關文獻資料進行取值，見表1。

表1 土壩穩定計算物理力學指標采用值

3.4 壩坡穩定計算結果

由于本次復核水庫防洪標準不達部頒標準，故本次大壩壩坡穩定復核以水庫現狀可達標準進行復核分析計算，即對水庫正常運用情況（庫水位為正常蓄水位911.5 m）壩體形成穩定滲流時上下游壩坡的穩定情況、非常運行情況（庫水位從校核水位913.5 m降落到汛限水位910.5 m）時上游壩坡穩定情況和校核水位913.5 m時下游壩坡的穩定情況兩種工況進行分析計算。計算結果見表2。

表2 大壩穩定分析計算成果表

3.5 壩坡計算成果分析

本次計算主要以大壩最大剖面進行。根據計算成果所制的壩坡在各種情況下的滑弧圖分析可知，在庫水位達到汛限水位910.5 m和校核水位913.5 m時，壩內浸潤線在下游后壩坡出逸，到下游坡腳剩余水頭最大為0.421，但水力坡降為0.864，遠大于壩體土允許水力坡降0.498。其原因有以下幾個方面：一是壩體土填筑質量較差，壩體土干密度較小，滲透系數較大；二是壩基座落在砂礫石層上，其滲透系數較大，約是壩體土的480倍，由于下游排水不暢，導致浸潤線以下壩體土處于飽和狀態，相應抬高壩址區地下水位。從壩坡穩定計算結果來看，上游壩坡在正常運用情況和非常運用情況抗滑穩定的最小安全系數分別為3.139和3.8，滿足規范要求；下游壩坡在兩種運用情況抗滑穩定的最小安全系數分別為1.11和1.096，均不滿足規范要求，因此大壩在正常和非常運用情況下游壩坡是不穩定的。

4 結語

經分析計算，南沙河水庫大壩壩基存在嚴重的滲透變形隱患，壩體施工質量較差，下游壩坡不穩定，且由于亂倒垃圾，已失去原有壩型，存在高水位情況下因壩基滲透破壞造成的壩體失穩隱患，建議盡早進行除險加固。