砂巖壓重對病險土石壩壩坡穩定性影響分析

凌華東

（江西華東龍源建設有限公司，江西 景德鎮333400）

我國中小型病險水庫數量有近6萬余座，病險水庫一般指結構安全鑒定為3類的壩體，通常結構安全鑒定發現存在的最主要問題是壩體結構穩定和壩體滲流穩定。而壩體不穩將直接影響下游人民的生命和財產安全。時鐵城等［1］采用有限元法計算了英布魯水電站土石壩在水位驟降條件下的非穩定滲流場和安全系數，發現上游壩坡的安全系數不滿足規范要求；羅春等［2］發現庫水位驟降工況下，上游水位的變化對壩體滲流量的影響較大，庫水位急劇降落易使浸潤線形成逆向滲流形態，最終造成土石壩壩坡穩定性的降低；尹吉娜等［3］通過模擬計算水位變動下的壩體滲流場，發現水位降速越快，浸潤線最高點越高，逆流越明顯，上游壩坡穩定性越差，恢復至穩定的時間越久。

目前有關土石壩除險加固方面的研究，主要以大中型土石壩工程為主，針對小型均質壩的研究相對較少［4-6］。壩坡不穩的處理措施通常是壩體加高培厚，放緩坡度，而砂巖料充分的土石壩工程采用當地砂巖料壓重坡腳的加固措施是一種既有效又經濟的處理方案。因此，本文以某典型的小型水庫大壩為例，針對其上游壩坡不穩的問題，擬采用砂巖壓重的措施進行處理加固，計算加固后的上游壩坡在不同運行工況下的安全系數、滑裂面及浸潤線，并與加固前的穩定計算結果進行對比，分析砂巖壓重上游壩坡設計方案的可行性及有效性。

1 工程概況

某水庫工程流域集雨面積0.561km2，現狀正常蓄水位371.85m，正常庫容55.6萬m3，設計洪水位372.33m，對應庫容61.9萬m3，校核洪水位372.58m，總庫容65.3萬m3，興利庫容35.3m3。該水庫是一座以農業灌溉為主的小（2）型水庫，設計灌溉面積33.33hm2，有效灌溉面積8.53hm2，樞紐工程主要由大壩、溢洪道、放水設施3部分組成。現狀水庫大壩為均質土壩，壩頂高程373.10m，壩頂寬4.5m，壩高11.1m，壩底高程362.00m，無防浪墻；大壩上游壩坡坡比1∶1.65，下游壩坡坡比1∶1.75，排水棱體頂部高程364.50m，排水棱體干砌石結構，坡比1∶1。

加固前的大壩壩坡5種計算工況為：①工況1：由正常蓄水位形成穩定滲流期的上、下游壩坡；②工況2：設計洪水位形成穩定滲流期的上、下游壩坡；③工況3：校核水位形成穩定滲流期的上、下游壩坡；④工況4：由校核水位驟降至正常蓄水位形成非穩定滲流期的上、下游壩坡；⑤工況5：由正常蓄水位驟降至死水位形成非穩定滲流期的上、下游壩坡。

根據前期大壩安全鑒定結果可知，加固前大壩壩坡抗滑穩定安全系數如表1。

表1 加固前大壩壩坡抗滑穩定安全系數

由表1可知，大壩上游壩坡在各種運行工況下穩定性較差，均小于規范允許值；特別是在工況5，上游壩坡安全系數僅有0.98。說明上游壩坡存在失穩可能，而下游壩坡穩定性較好，因此需重點加固上游壩坡。

結合工程實際情況，本次大壩除險加固設計擬采用砂巖壓重上游壩坡的方式，提高上游壩坡的穩定性。上游壩坡加固設計方案為：壓重體頂寬5m，迎水面坡比1∶2，高度3m，如圖1。

圖1 上游壩坡設計方案

2 研究方法及計算參數

土石壩的穩定性計算主要考慮水位以上坡體的滲流壓力，而水位以下部分，將坡面以上水體視為一種有重度無強度的特殊材料，本次壩坡穩定計算采用Bishop簡化條分法［7］。

結合大壩工程地質條件，采用河海大學開發的AUTO-BANK軟件計算分析壩體內的浸潤線分布，并將計算結果導入邊坡穩定性計算模塊中，運用塊體極限平衡法進行穩定性計算，即可獲得不同運行工況下大壩壩坡的穩定安全系數［8］。根據壩體取樣及室內土體試驗報告建議參數取值，壩體二維滲流穩定計算主要物理力學參數如表2。

表2 壩體材料主要物理力學參數

3 計算結果分析

根據表1的5種不同運行工況，采用極限平衡法中的簡化畢肖普法計算了上游壩坡采用砂巖壓重處理后的壩坡穩定安全系數及相應的浸潤線和滑裂面，如圖2，表3。

圖2 加固后抗滑穩定計算結果

表3 加固后抗滑穩定安全系數

分析可知，上游壩坡坡腳采用砂巖壓重處理后，5種工況下大壩上游壩坡的安全系數增大明顯，壩體穩定性顯著提高，均滿足規范要求。本工程在加固前上游壩坡在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位、校核洪水位降至正常蓄水位和正常蓄水位情況下，驟降至死水位時，安全系數分別為1.19，1.20，1.23，1.14，0.98；而采用砂巖壓重處理后5種工況對應的上游壩坡安全系數分別增加到1.41，1.53，1.58，1.47，1.27。說明除險加固設計采用的砂巖壓重措施效果十分顯著。

圖3為加固前大壩穩定計算結果（正常蓄水位），對比加固后的計算結果表明，采用砂巖壓重處理后，壩體內浸潤線分布幾乎沒有變化，而加固前后上游壩坡滑裂面分布有明顯差異。具體表現為加固前上游壩坡滑裂面起于下游壩坡坡頂位置，從上游壩坡坡腳位置剪出；加固后上游壩坡滑裂面同樣起于下游坡面頂部，但剪出口位置上升明顯，剪出口位于砂巖頂部平面與上游壩坡坡面的交點位置。

圖3 加固前抗滑穩定計算結果

4 結語

（1）以某病險水庫加固工程為例，針對其上游壩坡不穩問題，基于極限平衡法和非飽和滲流理論提出采用砂巖壓重進行處理的加固措施，對加固后的上游壩坡進行抗滑穩定計算分析。

（2）按照設計方案采用砂巖對上游壩坡壓重處理后，5種運行工況下對應的上游壩坡安全系數增大明顯，壩體穩定顯著提高，說明除險加固設計采用砂巖壓重措施是可行的。

（3）采用砂巖壓重處理后，壩體內浸潤線分布幾乎沒有變化，而加固前后上游壩坡滑裂面分布有明顯差異，加固前上游壩坡滑裂面起于下游壩坡坡頂位置，從上游壩坡坡腳位置剪出，加固后的剪出口位置上升明顯，剪出口位于砂巖頂部平面與上游壩坡坡面的交點位置。