赤水市二郎壩水庫大壩穩定分析

徐江燕

（遵義市水利水電勘測設計研究院有限責任公司，貴州 遵義 563002）

1 工程概況

二郎壩水庫地處赤水市葫市鎮境內，壩址位于習水河支流沙千溝上游。水庫壩址以上流域面積3.1km2，水庫總庫容154 萬m3，校核洪水位1173.92m，正常蓄水位1173.00m，死水位1157.00m。工程以灌溉為主，并與蕨基壩水庫聯合運行，聯合運行時設計灌溉面積786.67hm2。

二郎壩水庫樞紐建筑物主要由大壩、泄洪建筑物、放水設施及引水設施等組成。大壩為漿砌條石雙曲拱壩，壩頂高程為1178.00m，最大壩高33.3m，壩頂軸線弧長146.0m，壩頂寬4.4m，壩底寬8.0m。壩體在頂部中段設有五孔寬6m 弓形溢流泄洪孔，堰型為實用堰，堰頂高程1173.00m。水庫放水隧洞位于庫尾山擔坳，洞長322.0m；壩身底部設有沖沙底孔，已采用漿砌石封堵；左壩腳設有管徑Φ400 放水管，管中心高程1155.00m。在水庫庫首左端設有一引水隧洞（引水增加流域面積1km2），洞長210.0m。

該工程于1984 年開始設計，1986 年3 月動工興建，1990 年10 月大壩完工，1992 年2 月工程全面完工開始蓄水。1988 年12 月大壩施工時，發現壩身垂直裂縫3 條，分別位于大壩左壩端、右壩端和壩體中部的下游面，裂縫自壩基開始，縫寬1~2mm，施工時作了灌漿或勾縫處理。壩體修筑到1167.00m 時，修筑曾停工3 個月，在壩體重新修筑后，由于新老壩體結合面未進行處理，直接影響了壩體的質量，以致壩體在高程為1167.00~1168.00m段存在滲漏。

2 壩肩地質基本資料

2.1 地質基本資料

1）壩區河谷地形：壩址河流流向N15°W，壩址區兩岸地形較陡，河谷形態為基本對稱形“V”形，左岸山體最高點高程1401.00m，右岸山體最高點高程1462.00m，坡角20°~35°，河床寬10~20m，巖層傾上游，偏左岸，為橫向河谷結構。壩址區局部基巖裸露，大部覆蓋殘坡積砂質黏土，厚約0.5~3m，大壩下游河床為人工堆積物覆蓋，厚1~10m，河床高程1148.00m。

2）地層巖性：壩址地層單一，出露白堊系上統夾關組（K2J）及第四系（Q）地層， 主要巖性為砂巖、巖屑石英砂巖夾粉砂巖、泥巖、粉砂質泥巖等。

3）地質構造：壩址區巖層比較平緩，產狀N80°E / SE ∠13°,巖層傾向上游。壩址區未發現大的斷裂發育，為單斜巖層，巖層平緩，構造以裂隙為主，主要有兩組：①N3°~10°W/SW∠82°～87°，為陡傾角張扭性裂隙，裂隙表面寬0.1~1.5cm，可見長1~3m，局部充填砂土及碎石，為近順河向裂隙，頻率為1.5 條/m；②N80°～89°W/SW ∠70°～82°，為陡傾角張扭性裂隙，裂面粗糙，裂隙寬0.3~0.5cm，長3~5m，無充填，為斜切河向裂隙，頻率為1 條/m。以上兩組裂隙相互切割，破壞了巖體的結構，使本區巖體完整性較差，風化深度大。強風化深度：左岸5~7m，右岸8~13.2m，河床3~5m。

2.2 水文地質

工程區地下水主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水，兩岸地下水受大氣降雨補給，地下水沿層面、裂隙排泄補給河水，多為潛水和上層滯水，河床及兩岸出露的地下水較少，且流量小。從勘探資料表明，兩岸地下水位普遍偏低，左岸地下水高程Zk1 為1167.20m，右岸地下水位高程Zk1為1149.54m。壩址區巖體的透水性主要與巖體的風化完整程度和巖性有關，根據壩址鉆孔壓水試驗結果，由于砂巖、泥巖相間分布，其透水性具有不均勻特點，透水性有隨深度增加而逐漸降低，近地表及強風化層或裂隙發育帶透水性較強[1]。

3 壩肩穩定分析

3.1 拱端力系

采用反力參數法計算的基本荷載組合和特殊荷載組合時的拱端力系為計算依據。 ①基本荷載組合：正常蓄水位1173.00m 的靜水壓力與相應下游水位 +泥沙壓力+自重+溫降。②特殊荷載組合：校核洪水位1173.92m 的靜水壓力與相應下游水位+泥沙壓力+自重+溫升。

3.2 可能滑動面分析

壩區無明顯的斷裂構造，根據最為發育的兩條裂隙分析，大壩右壩端以N3°～10°W/SW ∠82°～87°這條裂隙來擬定側滑面；而大壩左壩端經分析，按裂隙擬定側滑面時，其抗滑巖體體積很大，所以考慮在拱徑向方向和裂隙方向的范圍內分別選取側滑面作拱端穩定試算，選取最不利情況作為計算的可能滑動面，經計算比較，擬定以N20.8°E 的方向作為側滑面方向。左、右壩肩以巖石層面作為底滑面。

3.3 壩肩穩定計算

壩肩穩定分析采用剛體極限平衡進行抗滑穩定分析計算，根據《砌石壩設計規范》（SL25-2006），采用抗剪公式進行核算：K=∑（Nf）/∑T。按規范要求的穩定安全系數K 值：基本組合 [K′]≥1.3；特殊組合 [K]≥1.1。計算假定壩肩以巖石層面作為底滑面，右壩肩以N3°～10°W/SW ∠82°～87°這條裂隙來擬定側滑面，左壩肩以N20.8°E 的方向作為側滑面方向。

側滑面、底滑面抗剪強度物理力學參數的選取，須充分考慮滲漏對地層巖性的影響，在結合檢測試驗數據的基礎上，綜合選取物理力學參數。抗剪強度物理力學參數取值，見表1。

表1 抗剪強度物理力學參數取值表

根據工程實際情況，設計主要選取基本組合、特殊組合最不利的二種荷載組合進行計算。經計算，在基本組合、特殊組合情況下，大壩壩肩分層、整體抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，兩壩肩軟弱夾層面抗滑穩定安全系數滿足規范要求。壩肩抗滑穩定安全系數成果，見表2。

表2 壩肩抗滑穩定安全系數成果表

3.4 成果分析

經計算分析，壩肩抗滑穩定安全系數滿足規范要求。且從大壩多年來運行的實際情況和收集的資料看，水庫基本在設計水位下運行，大壩壩肩至今未發現有異常現象，大壩運行良好，壩肩穩定計算成果合理。

4 壩體應力分析

4.1 基本設計參數及荷載組合

1）基本設計參數見表3。

表3 現狀拱圈幾何特性表

2）荷載組合：①基本荷載組合：正常蓄水位1173.00m 的靜水壓力與相應下游水位 +泥沙壓力+自重+溫降。②特殊荷載組合：校核洪水位1173.92m 的靜水壓力與相應下游水位 +泥沙壓力+自重+溫升。

4.2 壩體應力計算方法及成果分析

1）計算方法：應力分析采用《反力參數法》程序計算。

2）計算成果：從反力參數法應力成果可知，基本荷載組合①正常蓄水位+溫降情況下，最大主壓應力2.56MPa，發生在拱冠梁1145.00m 高程下游面；最大主拉應力1.37MPa，發生在拱冠梁1145.00m 高程上游面。特殊荷載組合②校核洪水位+溫升情況下，最大主壓應力2.29MPa，發生在拱冠梁1145.00m 高程下游面；最大主拉應力1.09MPa，發生在拱冠梁1145.00m 高程上游面。通過計算，在上述二種運行工況下，特殊荷載組合下壩體的最大主壓應力、拉應力均在規定的允許范圍內。在基本荷載組合下，壩體的最大主壓應力在規定的允許范圍內，其最大主拉應力為1.37MPa，發生在拱冠梁1145.00m 高程上游面, 該值略大于規范要求的控制拉應力1.2 MPa，其它各層主拉應力均小于1.2Mpa。考慮到大壩經多年運行未發現穩定異常，可認為大壩應力是基本符合要求的。

4.3 壩身裂縫復核及成果分析

現場勘察時，在壩身發現3 條經勾縫或灌漿處理的垂直裂縫。根據記錄，此3 條裂縫在1988年12 月大壩在施工已發現，當時縫寬1 ～2mm，后經有關人員根據實際情況作出了處理。3 條裂縫的特性為：L1:位于大壩的右壩端下游面，作勾縫處理，裂縫自壩基開始，實測可見高程1162.00 ～1173.80m，壩體條石被拉斷，縫的周圍有少量滲水。L2:位于大壩壩體中部下游面，作勾縫處理，裂縫自壩基開始，實測可見高程1151.10 ～1155.70m，縫周圍無滲水。L3:位于大壩的左壩端下游面，作勾縫、灌漿處理，裂縫自壩基開始，實測可見高程1159.40 ～1173.80m，縫周圍無滲水。

由于裂縫在施工時已發現，本次復核采用施工期工況計算分析壩體裂縫形成的原因。基本設計參數見表三，計算采用《反力參數法》。通過計算的應力成果可知，在施工期情況下，最大主壓應力2.49MPa，發生在左、右拱端1145.00m 高程上游面；最大主拉應力1.31MPa，發生在左、右拱端1145.00m 高程下游面。從結果看，左、右拱端主壓應力均小于砌體材料的容許壓應力3.0Mpa，而左、右拱端1145.00m 高程下游面的主拉應力均大于規范要求的控制拉應力1.2 Mpa。其左、右壩端裂縫就位于最大拉應力發生的區域，由此可見，裂縫產生的原因主要是壩體在施工期中由于自重、溫度等作用而產生過大的拉應力，而壩體在施工時未留施工縫，壩體受拉而出現裂縫。裂縫自處理后，趨于穩定，未出現過異常現象。

5 結 語

在拱壩的大壩穩定分析中，壩肩穩定分析和壩體應力分析是非常重要的兩項指標，而在分析過程中，力學參數及相關系數的取值是否合理，直接影響到分析計算的科學性。本次壩肩穩定分析、壩體應力分析的復核計算，充分考慮工程地質、工程特性及大壩施工期存在的具體問題，結合相關檢測試驗資料及規程規范，通過工程類比，合理分析選取力學參數及相關系數進行計算分析，對大壩穩定作出了科學評價。同時，二郎壩水庫建成至今已近40 年，多年來均按設計水位運行，水庫運行狀況良好，大壩壩肩及壩體穩定。