某小（1）型水庫安全評(píng)價(jià)中大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

□史振防

（濮陽縣政府投資項(xiàng)目建設(shè)管理辦公室）

1 工程及地質(zhì)概況

某小（1）水庫庫區(qū)徑流面積為6.70 km2，河道長6.13 km，河床比降5.90×10-3。水庫樞紐工程主要由主壩、副壩、輸水涵、輸水隧洞、溢洪道等組成［1］。主壩為均質(zhì)土壩，最大壩高為19.00 m，壩頂為混凝土路面，壩頂高程為85.50 m，壩頂寬6 m，壩頂長195.50 m。副壩為均質(zhì)土壩，最大壩高為10.20 m，壩頂為混凝土路面，壩頂高程為83.16 m，壩頂寬4.30 m，壩頂長66 m。

水庫地貌類型以低丘陵及剝蝕殘山為主，水庫西面大部分為地形較高的剝蝕山丘，東面為低矮準(zhǔn)平地，是人口密集的工業(yè)區(qū)。庫區(qū)西部基巖為中生代白堊紀(jì)早白堊世中粗粒黑云母二長花崗巖（K11bηγ），東部基巖為中生代侏羅世粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖（J1-2t）。庫區(qū)主要出露的地層為第四系地層，主要為沖洪積層和殘積層，第四系沖洪積層分布范圍較小，一般位于河床和沖溝底，巖性為含礫粘土和粉質(zhì)粘土，局部有礫砂、角礫層，厚度不大，呈透鏡狀分布；第四系坡殘積層分布廣泛，巖性為礫質(zhì)粘性土和粉質(zhì)粘土，厚度依地形地貌而變化。

根據(jù)壩址現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及鉆探結(jié)果，在勘探場地及深度內(nèi)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、巖溶、滑坡、泥石流及液化土層分布等不良地質(zhì)作用及特殊巖土。

2 大壩壩基和岸坡質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 大壩現(xiàn)狀評(píng)價(jià)情況

2.2.1 大壩壩基和岸坡質(zhì)量評(píng)價(jià)

依據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL258—2000）及《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL60-2012），現(xiàn)場檢查采取了歷史資料分析法、現(xiàn)場巡視檢查法相結(jié)合的辦法，對(duì)大壩壩體有無裂縫、異常變形、滲漏、塌陷及動(dòng)物危害現(xiàn)象進(jìn)行重點(diǎn)檢查，得到以下檢查結(jié)果：①水庫運(yùn)行管理情況整體較好；②主壩壩頂路面平整，局部有裂縫1處、破損1處；③主壩壩后坡階梯局部有破損2處；④主壩馬道與馬道旁排水溝有裂縫1處；⑤主壩壩后坡排水棱體有2 處存在少量的滲流量；⑥副壩壩頂路面平整，局部有裂縫1處。

2.2.2 大壩壩體質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及擊實(shí)試驗(yàn)，壩體人工填土所取土樣干密度1.32～1.70g/cm3，壩體三組擊實(shí)樣的校正后最大干密度平均值為1.83g/cm3，計(jì)算得出壩體人工填土壓實(shí)度介于72%～93%之間。根據(jù)室內(nèi)土工滲透試驗(yàn)分析，對(duì)4組壩體人工填土試樣進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)為4.3E-6～8.6E-4 cm/s，平均滲透系數(shù)為3.00E-4 cm/s，為中等透水性。

綜上所述，壩體填筑土土料質(zhì)量滿足均值土壩用料要求，但其壓實(shí)度不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）對(duì)3級(jí)以下中、低壩粘性土壓實(shí)度96%～98%的要求。根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL258—2000），水庫壩體填筑土壓實(shí)度不滿足規(guī)范要求，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定分析后來評(píng)價(jià)大壩結(jié)構(gòu)安全狀況。

3 大壩抗滑穩(wěn)定分析

3.1 分析方法

3.1.1 計(jì)算方法

水庫大壩穩(wěn)定計(jì)算按《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL258—2000）和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。計(jì)算分析采用計(jì)算條塊間作用力的簡化Bishop 法求壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：W 為條塊重，kN；W1為在壩坡外水位以上的條塊濕重，kN；W2為壩坡外水位以下的條塊濕重，kN；V為垂直地震慣性力（向上為負(fù)，向下為正），kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kpa，取值為0；b為土條寬度，m；α為條塊重力線與通過此條塊底面重點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；c′、φ′為土條底面的強(qiáng)度指標(biāo)，kpa、°，參見力學(xué)參數(shù)表；Mc 為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

該水庫大壩為3級(jí)壩，安全評(píng)價(jià)采用3級(jí)壩的安全性分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。穩(wěn)定計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)水位采用復(fù)核計(jì)算成果，即：死水位特征水位為71.61 m，正常蓄水位為79.91 m，設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）特征水位為81.31 m，校核洪水位（P=0.10%）特征水位為81.71 m。

3.1.2 計(jì)算工況

根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL258—2000）和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）有關(guān)規(guī)定擬定水庫穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算的各種工況見表1。

表1 水庫穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算的各種計(jì)算工況表

工況6根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2001）有關(guān)規(guī)定劃分，本區(qū)屬Ⅶ度區(qū)，建議本場地抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g。

3.1.3 滲流邊界

主壩在能形成滲流場的情況下，浸潤線遵循隨庫水位上漲而提高、隨庫水位跌落而下降；副壩因下游與地面幾乎齊平，安全鑒定未做滲流安全評(píng)價(jià)，故抗滑穩(wěn)定計(jì)算只做上游坡計(jì)算。

3.1.4 物理力學(xué)指標(biāo)選取

穩(wěn)定分析的壩身填土、壩基的物理力學(xué)指標(biāo)等均選自工程地質(zhì)勘察成果，反濾體的物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)《砂礫石地基工程地質(zhì)》和《中小型水利水電工程地質(zhì)》（第二版）并結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)值取值，凝聚力C=0，內(nèi)摩擦角φ=35°，密度γ=2.50 g/cm3。

3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算工具采用“理正邊坡穩(wěn)定分析軟件”之“簡化Bishop法”。經(jīng)計(jì)算，在各種工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果見表2，各工況下主壩、副壩壩坡滑移計(jì)算圖見圖1、2（受篇幅所限，只列出部分）。

表2 主壩穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)結(jié)果表

圖1 主壩工況3上游壩坡滑移計(jì)算圖

圖2 副壩工況4上游壩坡滑移計(jì)算圖

3.3 大壩護(hù)坡強(qiáng)度復(fù)核

該水庫主壩上游壩坡為200 mm厚C25混凝土護(hù)坡。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》

（SL274—2001），壩體上游混凝土護(hù)坡在浮力作用下穩(wěn)定的面板厚度可按下式計(jì)算：

式中：η為系數(shù)，對(duì)整體式大塊護(hù)面板取1.00，裝配式護(hù)面板取1.10（取1.00）；hp為累積頻率為1%的波高，m；b 為沿壩坡向板長，m；ρc為板的密度，t/m3。

由計(jì)算成果可知：正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí)大壩壩體上游混凝土護(hù)坡所需厚度均為0.15 m，現(xiàn)狀厚度均為0.2 m，水庫在各工況運(yùn)行水位下，主壩壩體上游混凝土護(hù)坡現(xiàn)狀板厚均大于計(jì)算所需厚度，故主壩壩體上游混凝土護(hù)坡強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3.4 壩體沉降量計(jì)算分析

根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中5.2.2 條，裂縫分析可采用基于沉降觀測資料的傾度法。當(dāng)缺乏觀測資料時(shí)，可利用沉降計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定，粘性土壩體和壩基的沉降量可用分層總和法按式（4）計(jì)算：

式中：St為竣工時(shí)或最終壩體和壩基總沉降量；ei0為第i層的起始孔隙比；eit為第i 層相應(yīng)于竣工時(shí)或最終的豎向有效應(yīng)力作用下孔隙比；hi為第i層土層厚度；n為土層分層數(shù)。

該水庫2015 年除險(xiǎn)加固工程對(duì)主壩壩體進(jìn)行加高，現(xiàn)場檢查現(xiàn)場主、副壩體未出現(xiàn)明顯變形及裂縫，故沉降計(jì)算起始孔隙比綜合考慮采用該水庫工程地質(zhì)勘察報(bào)告成果的孔隙比作為起始孔隙比，安全鑒定地勘成果提供的孔隙比作為最終孔隙比。文章在主壩壩頂處取a（ZK2）、b（ZK3）、c（ZK5）三點(diǎn)如圖3，每層土層厚度均取為5 m，分別計(jì)算沉降量，相同深度未作取樣試樣的，取臨近點(diǎn)數(shù)值，計(jì)算參數(shù)如下：

由上表可以看出，主壩三點(diǎn)沉降量分別為：Sta=-0.89 m；Stb=-0.46 m；Stc=-1.01 m。

縱向裂縫形成的過程是：開始時(shí)，壩橫斷面方向因不均勻沉降，在近于鉛直的方向上互相錯(cuò)動(dòng)。同時(shí)由于壩體橫斷面方向不均勻水平位移的發(fā)展，使破壞面兩側(cè)壩體互相分離，形成有一定寬度的裂縫。大量土壩原體觀測資料表明：無論土石壩變形如何復(fù)雜，水平位移差總是存在的，而且它的大小，與沉降差之比，常常為一個(gè)相當(dāng)大的百分?jǐn)?shù)。所以，對(duì)于一般壩體，因沉降差而造成的破壞面，一般都表現(xiàn)為不同寬度的裂縫。因此，可以從傾度的角度來分析沉降差的分布和發(fā)展。

圖3 水庫主壩計(jì)算點(diǎn)圖

表3 各壩段孔隙比計(jì)算參數(shù)值表

式中：ry為a、b兩點(diǎn)間的傾度（%）；ΔY為a、b 兩點(diǎn)間的水平距離；|Ya-Yb|為Ya-Yb的絕對(duì)值；ΔS=Sa-Sb，為兩點(diǎn)間自填筑之日起，至某一計(jì)算日期的沉降差。

設(shè)土層a、b 處的破壞臨界傾度為rc，如果計(jì)算出來的傾度ry＞rc，則認(rèn)為該處的土層要發(fā)生錯(cuò)動(dòng)破壞面；如果ry=rc，該處的土層處于產(chǎn)生破壞的極限狀態(tài)；如果ry＜rc，則認(rèn)為該處土層將不產(chǎn)生破壞面。關(guān)于rc值的變化范圍值約在1%左右。將數(shù)據(jù)代入公式（5）得到結(jié)果：

主壩：ΔYab=46.05 m，ΔSab=-0.44 m，ryab=-0.95%，ΔYbc=72.13 m，ΔSbc=0.55 m，rybc=0.76%。

根據(jù)同樣方法可得副壩的沉降量為：ΔYde=18.41 m，ΔSde=0.13 m，ryde=0.72%，ΔYef=18.04 m，ΔSef=-0.05 m，ryef=0.27%從結(jié)果可知：從2012-2018年，主、副壩各計(jì)算點(diǎn)的傾度均＜1%，故主副壩沉降滿足規(guī)范要求。

3.5 大壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核結(jié)論

抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，主壩斷面在正常運(yùn)用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.50＞1.43，達(dá)到A 級(jí)；在非常運(yùn)用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.35＞1.32，達(dá)到A級(jí)。副壩斷面在正常運(yùn)用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.52＞1.43，達(dá)到A 級(jí)；在非常運(yùn)用工況下，壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.431＞1.32，達(dá)到A級(jí)。

根據(jù)護(hù)坡強(qiáng)度計(jì)算，主壩壩體上游混凝土護(hù)坡強(qiáng)度滿足規(guī)范要求：副壩上游砂漿砌筑透水磚護(hù)坡厚度無法得知，但現(xiàn)狀透水磚護(hù)坡平整度較好，無破損，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。壩體沉降量計(jì)算分析表明，大壩沉降計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL258—2000）附錄B對(duì)大壩安全綜合評(píng)價(jià)，該水庫大壩結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)為A級(jí)。

4 結(jié)論及建議

經(jīng)評(píng)定，該水庫綜合安全評(píng)價(jià)為二類壩，針對(duì)本水庫存在的安全問題，提出如下建議：①對(duì)主壩壩后階梯破損處、馬道裂縫處進(jìn)行修復(fù)加固；②建議鑒定的復(fù)核值作為水庫特性采用值；③加強(qiáng)對(duì)水庫大壩建筑物進(jìn)行定期運(yùn)行管理和維護(hù)。