水庫壩頂?shù)缆妨芽p影響因素分析

吳圣賢 張志彪

（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 水庫壩頂?shù)缆犯艣r

大通水庫位于安徽省天長市西北，屬淮河銅龍河水系，流域?qū)偾鹆甑匦巍８鶕?jù)現(xiàn)場調(diào)查取樣發(fā)現(xiàn)，自2019 年開始壩頂?shù)缆烦霈F(xiàn)開裂、上游側(cè)混凝土護坡斷裂、放水涵檢修便橋基礎(chǔ)沉降等現(xiàn)象。現(xiàn)狀混凝土路面整體混凝土路面向壩外傾斜，局部混凝土路面向壩外傾斜明顯，兩側(cè)落差約15～25mm。局部路面出現(xiàn)不同程度的裂縫、斷裂現(xiàn)象，上下錯位約10～60mm，最大為61mm。

2 計算分析

2.1 滲流穩(wěn)定影響分析

本文選取壩高最高處和大壩疑似沉降滑移處共兩處作為典型斷面進行滲流穩(wěn)定計算，應(yīng)用河海大學編制的水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)程序計算正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位下的穩(wěn)定滲流場，根據(jù)滲流穩(wěn)定計算成果，典型斷面在各種工況下壩基的滲透坡降值和壩坡出逸坡降值見圖1～圖4。

圖1 最高處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（未考慮截滲墻）

圖2 裂縫處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（未考慮截滲墻）

圖3 最高處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（考慮截滲墻）

圖4 裂縫處斷面各種工況下壩基的滲流場圖（考慮截滲墻）

從計算結(jié)果看出，考慮截滲墻作用后，大壩最高處計算最大壩內(nèi)水平滲透坡降在0.02～0.12 之間，壩腳出逸坡降在0.14～0.25 之間，均小于對應(yīng)的允許坡降值，滿足規(guī)范要求，且出逸坡降較未考慮截滲墻作用時減小。

考慮截滲墻作用后，裂縫處計算最大壩內(nèi)水平滲透坡降在0.001～0.09 之間，壩腳出逸坡降在0.004～0.292 之間，均小于對應(yīng)的允許坡降值，滿足規(guī)范要求，且出逸坡降較未考慮截滲墻作用時減小。

2.2 抗滑穩(wěn)定影響分析

該大壩穩(wěn)定復(fù)核，斷面位置同滲流計算一致。采用總應(yīng)力法公式，運用河海大學編制的土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)程序，采用畢肖普法分析計算壩坡穩(wěn)定性。不考慮截滲墻作用時，穩(wěn)定計算成果見圖5、圖6；考慮截滲墻作用時，穩(wěn)定計算成果見圖7、圖8。

圖5 最高處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（未考慮截滲墻）

圖6 裂縫處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（未考慮截滲墻）

圖7 最高處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（考慮截滲墻）

圖8 裂縫處斷面各種工況下壩基的抗滑計算成果圖（考慮截滲墻）

從圖中可以看出，不考慮截滲墻作用時，各種工況下，大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，穩(wěn)定滲流條件下大壩是安全的。考慮截滲墻作用時，各種工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)稍有增加并均大于規(guī)范要求。

2.3 沉降影響分析

根據(jù)滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定計算成果，裂縫處的滲流和抗滑安全均滿足要求。根據(jù)現(xiàn)狀情況和相關(guān)計算復(fù)核，初步判定壩頂?shù)缆烽_裂因壩身填土沉降不均引起。擬通過對該壩段進行沉降計算模擬2019年水位較低情況下壩身的沉降情況。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）中規(guī)定，壩身沉降量可按下式計算：

式中：

S—最終沉降量，mm；

n—壓縮層范圍的土層數(shù)；

e1i—第i 土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；

e2i—第i 土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；

hi—第i 土層的厚度，mm；

m—修正系數(shù)，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.6。

壩基壓縮層的計算厚度，可按下式確定：

式中：

σB—堤基計算層面處土的自重應(yīng)力，kPa；

σZ—堤基計算層面處土的附加應(yīng)力，kPa。

計算結(jié)果見表1。

表1 壩頂?shù)缆烽_裂段沉降量計算成果表

3 影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)場情況和計算復(fù)核成果，計算最終沉降量結(jié)果與實際觀測最大沉降量相比偏小（實驗室內(nèi)孔隙比為推定值，與實際填土孔隙比有較大差異）。根據(jù)裂縫段地質(zhì)條件、土體力學性質(zhì)及路面結(jié)構(gòu)狀況等，綜合分析裂縫成因如下：

3.1 壩基地質(zhì)條件不佳

勘探揭露部分鉆孔（混凝土路面斷裂、上下錯位最大位置）在5.7～6.3m 深度及7.7～8.3m 深度壩基有軟塑狀重粉質(zhì)壤土分布，壩基存在軟弱土層，易造成壩體沉降變形。

3.2 壩身填土的弱膨脹性及惡劣氣候的影響

地質(zhì)勘探過程中鉆孔揭露，混凝土路面裂縫變形嚴重部位壩身填土主要為02 層人工填土（重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土），02 層壩身填土具弱膨脹性，地表水入滲后，膨脹土“遇水膨脹、失水收縮”的特征導(dǎo)致壩身表層土體強度降低、壩身固結(jié)沉降。

2019 年大旱時期壩身土體失水較多，壩身沉降、道路開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，2020 年汛期水庫水位較高，水庫水及地表水入滲后，土體抗剪強度降低，干濕交替作用下壩身開裂繼續(xù)發(fā)展。

3.3 截滲墻的不利影響

對土體水位的影響：截滲墻施工前大壩內(nèi)同一高程下土體水壓相差不大，孔隙比接近；截滲墻建成后墻前、墻后水位變幅較大，墻后土體水壓衰減明顯，孔隙比減小，造成累計沉降。

對路面結(jié)構(gòu)支撐剛度的影響：據(jù)現(xiàn)場勘探，路面結(jié)構(gòu)以下，靠近大壩防撞墻側(cè)壩體為多頭小直徑截滲墻水泥漿，其余壩體為人工填土及壩基②層重粉質(zhì)壤土，路面結(jié)構(gòu)底部支撐剛度不均。考慮水利工程路面結(jié)構(gòu)層均較為單薄，路基剛度不均對混凝土路面結(jié)構(gòu)的不利影響進一步放大。車輛碾壓路面后導(dǎo)致混凝土板塊傾斜、轉(zhuǎn)動、開裂，甚至斷裂。

4 結(jié)論

綜上分析可知，在壩基地質(zhì)條件不佳、壩身填土的弱膨脹性及惡劣氣候的影響、截滲墻的不利影響等較多不利因素綜合作用下，壩體路面及壩身局部出現(xiàn)裂縫并呈全面發(fā)展態(tài)勢。因此，通過此次分析結(jié)論，可為今后的水庫大壩道路的安全設(shè)計提供工程設(shè)計經(jīng)驗