皮山縣波斯干水庫大壩抗震穩(wěn)定分析及除險加固設(shè)計

黃亮亮

（中工武大設(shè)計集團(tuán)有限公司新疆分公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

波斯干水庫是新疆和田地區(qū)皮山縣境內(nèi)坡斯喀河上的一座山區(qū)攔河式水庫,水庫地處昆侖山北麓,塔里木盆地西南緣,坐落在西昆侖山前低丘陵區(qū),庫區(qū)地勢南高北低。

波斯干水庫總庫容300 萬m3,其中死庫容80 萬m3,興利庫容60 萬m3,防洪庫容160 萬 m3,其對應(yīng)的死水位為1881.94 m,正常蓄水位為1883.80 m,設(shè)計洪水位1884.78 m,校核洪水位1886.63 m,工程等別Ⅳ等,工程規(guī)模為小（1）型。

水庫現(xiàn)狀由大壩、溢洪道、放水涵洞組成,大壩壩型為復(fù)合土工膜斜墻壩,壩頂高程1888.30 m,壩頂寬度15 m～130 m,壩軸線長413 m,最大壩高18.30 m；大壩樁號0+004～0+375段上游護(hù)坡為C20 砼護(hù)坡,坡比1∶2.5,護(hù)坡厚度15 cm,護(hù)坡下鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲；大壩樁號0+004～0-038 段上游護(hù)坡為C20 漿砌石護(hù)坡,平均坡比為1∶1.3,護(hù)坡厚度40 cm；大壩下游壩坡坡比1∶2.0～1∶3.0,為土質(zhì)護(hù)坡。

2020 年大壩安全評價結(jié)論：根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）,水庫區(qū)域地震動峰值加速度0.20g,對應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度,現(xiàn)狀大壩設(shè)計抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度,抗震設(shè)防烈度不符合規(guī)范的要求；大壩下游壩坡抗震穩(wěn)定性不滿足《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 189-2013）規(guī)范要求。

2 地震作用對大壩的影響分析

2.1 場區(qū)地震構(gòu)造

波斯干水庫處于塔里木地臺（Ⅸ）→塔里木臺坳（Ⅸ5）→西南坳陷（Ⅸ54）→葉城凹陷（Ⅸ54-4）內(nèi)。

（1）工程研究區(qū)

在40 km～150 km 范圍內(nèi)發(fā)育的斷裂主要有康西瓦斷裂?、西昆侖北緣斷裂?等2 條區(qū)域性斷裂,現(xiàn)分述如下：

1）康西瓦斷裂

延伸長度600 km,走向EW,傾向S,陡傾角,斷層性質(zhì)為左旋逆沖,全新世活動十分明顯,斷層左旋位移量9 m～12 m,水系被斷錯,水平活動速率0.5 mm/a。1920 年10 月12 日在策勒南發(fā)生6.25 級地震,在皮山南發(fā)生6.8 級地震,為全新世活動斷裂,位于工程區(qū)的西南、南、東南部,距工程區(qū)最近距離99 km。

2）西昆侖北緣斷裂

延伸長度1440 km,走向EW～NW、SW,傾角50°～80°,斷層性質(zhì)為逆走滑,西段左旋,東段右旋,第三系、第四系地層被錯斷切割,水平斷距6 km～16 km,垂直斷距大于6 km,斷層附近有溫泉分布。1974 年8 月11 日烏恰西發(fā)生7.3 級地震,1944 年9 月28 日烏恰西南發(fā)生7 級地震,為全新世活動斷裂,位于工程區(qū)的西北、西、西南方向,距工程區(qū)最近距離123 km。

（2）工程近場區(qū)

在5 km～40 km 范圍內(nèi)發(fā)育的區(qū)域性斷裂主要有：昆侖山山前斷裂?、阿爾金斷裂?等2條區(qū)域性斷裂,現(xiàn)分述如下：

1）昆侖山山前斷裂

延伸長度684 km,走向EW,傾向S,陡傾角,錯斷第四系地層,逆斷層,差異性活動強烈。1902 年8 月31 日在皮山南發(fā)生6.8 級地震,為全新世活動斷裂,位于工程區(qū)的西南、南、東南部,距工程區(qū)最近距離14 km。

2）阿爾金斷裂

延伸長度1500 km,走向50°～70°,傾向S,傾角45°～70°,斷層性質(zhì)為左旋逆走滑,沿斷層有大量巖體和巖脈發(fā)育,有多期巖漿巖侵入,第四紀(jì)仍有明顯活動,垂直運動差異性較大,水平位錯達(dá)5 km,晚更新世垂直活動速率1.1 mm/a,全新世垂直活動速率0.2 mm/a,水平活動速率3.0 mm/a～5.0 mm/a,1924 年7 月3 日在民豐東南發(fā)生7.25 級地震,晚更新世以來曾發(fā)生多次古地震,為全新世活動斷裂,位于工程區(qū)的東南部,距工程區(qū)最近距離31 km。

（3）工程場址區(qū)

在工程區(qū)5 km 范圍內(nèi)無區(qū)域性活斷層。

2.2 場區(qū)地震活動特征

由地質(zhì)勘察報告可知,在庫區(qū)150 km 范圍內(nèi)活動性斷層主要集中在水庫的南部,活斷層交叉較少,相互間作用一般,地震發(fā)生頻次一般,有記錄的地震21 次,6 級以上地震2次,5～6 級地震13 次,5 級及以下地震6 次。

綜合工程區(qū)及周邊的地層結(jié)構(gòu)、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造活動性、地震震級、地震動峰值加速度（0.20g）、地震基本烈度（Ⅷ度）等要素,確定工程區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

2.3 大壩抗震安全復(fù)核

依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）、《中國地震動加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）的劃分,庫區(qū)地震動峰值加速度0.20g,地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s,地震基本烈度Ⅷ度,設(shè)計烈度與基本烈度相同。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51247-2018）規(guī)定,波斯干水庫大壩按丁類工程設(shè)防,只考慮順河流方向的水平地震作用,并采用擬靜力法進(jìn)行地震作用效應(yīng)計算。

（1）抗震復(fù)核計算參數(shù)及方法

抗震結(jié)構(gòu)安全復(fù)核采用河海大學(xué)研究開發(fā)的《穩(wěn)定分析軟件》（AutoBank7.51）進(jìn)行計算,計算方法為有限元動力分析法,計算參數(shù)見表1。

大壩穩(wěn)定分析方法采用簡化畢肖普法,計算公式如下：

式中：W 為土條重量；Q、V 分別為水平和垂直地震慣性力（向上為負(fù),向下為正）；u 為作用在土條底部的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b 為土條寬度；c'、φ'為土條地面的有效應(yīng)力抗剪強度指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R 為圓弧半徑。

（3）計算工況

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 189-2013）的規(guī)定,并結(jié)合大壩實際運行情況,對上游壩坡按正常蓄水位（1883.80 m）進(jìn)行抗震計算；對下游壩坡按正常水位進(jìn)行抗震計算。

（4）復(fù)核結(jié)果

經(jīng)計算：正常運用遇地震情況下,上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)除樁號0-010 計算斷面外其余計算斷面均大于1.10,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.10,不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 大壩除險加固設(shè)計

3.1 大壩壩坡設(shè)計

（1）上游壩坡設(shè)計

波斯干水庫現(xiàn)狀大壩上游壩坡為混凝土和漿砌石護(hù)坡,壩軸線樁號0+000～0+013 段為溢洪道進(jìn)口段, 樁號0+013～0+048 段護(hù)坡坡比為1∶1.3,樁號0+048～0+416 段壩坡坡比為1∶2.5。

上游壩坡（樁號0+013～0+048）漿砌石段平均壩坡坡比為1∶1.3,在非常運用條件Ⅱ下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.1,不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,故本次除險加固設(shè)計將該段壩坡放緩至1∶2.5,與其他壩段順接。

（2）下游壩坡設(shè)計

現(xiàn)狀下游壩坡坡比為1∶1.5～1∶3.0 之間,下游壩坡在非常運用條件Ⅱ下各壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.1,不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

根據(jù)加固方案采用試算法確定壩坡壓重的范圍、高度和寬度。當(dāng)設(shè)置的下游坡壓坡填土重量滿足下游壩坡抗滑穩(wěn)定要求的最小安全系數(shù)時,該壩坡壓重的范圍、高度和寬度即為所求。

經(jīng)計算,本次除險加固設(shè)計在下游壩坡高程1878.30 m處設(shè)置馬道,馬道寬12 m,馬道以上坡比為1∶3.0,馬道以下為填筑坡坡比為1∶4.0。

3.2 壩坡穩(wěn)定計算

本次除險加固后大壩壩型為復(fù)合土工膜斜墻壩,最大壩高18.3 m,壩軸線長416 m,壩頂寬度13 m～130 m,上游壩坡為C20 混凝土護(hù)坡,坡比1∶2.5,護(hù)坡厚度15 cm；下游邊坡坡比1∶3～1∶4,在高程1878.30 m 處設(shè)置12 m 寬馬道,為土質(zhì)壩坡。

水庫正常蓄水位1883.80 m,設(shè)計洪水位1884.78 m,校核洪水位1886.63 m,死水位1881.94 m。

（1）計算方法

抗震結(jié)構(gòu)安全計算采用河海大學(xué)研究開發(fā)的《穩(wěn)定分析軟件》（AutoBank7.51）進(jìn)行計算,計算方法為有限元動力分析法,選用參數(shù)與“大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算”參數(shù)相同。

（2）計算結(jié)果

本次設(shè)計下游壩坡為庫盤淤積粉土料填筑,計算方法采用圓弧法,采用河海大學(xué)研究開發(fā)的《穩(wěn)定分析軟件》（Autobank7.51）（圓弧滑面）進(jìn)行計算,計算結(jié)果見表2。

由計算結(jié)果可知,大壩在正常運用及非常運用條件下,上、下游壩坡穩(wěn)定計算的最小安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,大壩抗滑穩(wěn)定。

4 結(jié)語

波斯干水庫為山區(qū)攔河水庫,總庫容300 萬m3,保護(hù)下游人口5000 人,耕地2 萬畝,大壩如果遭受強震發(fā)生潰決,將導(dǎo)致嚴(yán)重的次生災(zāi)害。因此大壩除險加固的設(shè)計目標(biāo),首先要確保在遭遇設(shè)計烈度的地震時,不發(fā)生破壞導(dǎo)致次生災(zāi)害。波斯干水庫除險加固設(shè)計是滿足現(xiàn)行規(guī)范的一次有益設(shè)計,該設(shè)計方案通過上級部門的審批并已實施。