板橋水庫主壩結構安全分析

周克發(fā)，張士辰

（南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所，江蘇南京 210029）

1 工程概況

板橋水庫位于河南省駐馬店市泌陽縣板橋鎮(zhèn)境內的淮河支流汝河上游，是一座以防洪、灌溉為主，結合發(fā)電和養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水庫，總庫容6.75億m3。該水庫始建于1951～1952年，1956年加固及擴建。1975年8月，水庫漫頂潰壩，導致原河床部位形成一上部寬約370 m、下部寬約210 m的潰口。1978～1992年在原壩址對潰壩殘留工程進行了復建。2008年大壩安全鑒定，洪水復核[1]按重現(xiàn)期100 a洪水標準設計，設計洪水位117.76 m；按重現(xiàn)期5 000 a洪水標準校核，校核洪水位118.92 m；按重現(xiàn)期10 000 a洪水保壩，保壩水位119.63 m。擋水建筑物包括北主壩、南主壩、北副壩、南副壩、南岸原副溢洪道堵壩、秣馬溝副壩、混凝土溢流壩等。大壩全長3 720 m，其中主壩2 300 m，副壩1 420 m。

主壩為粘土心墻砂殼壩，由南主壩和北主壩組成，壩頂寬8.0 m。上游壩坡復建工程中加高部分坡比為1∶2.5，接原殘留壩坡1∶2.6、1∶3.0，采用干砌塊石護坡；下游壩坡坡比為1∶2.0或1∶2.5或1∶3.5，設50 cm厚的草皮護坡；下游壩腳處設碎石貼坡排水。上游壩殼礫質粗砂與干砌塊石護坡之間設有兩層各20cm厚的反濾保護層，第一層粒徑0.5～2.0 cm，第二層粒徑2.0～8.0 cm；下游壩體或壩基土與碎石貼坡排水之間設兩層各厚25 cm的反濾保護層，第一層粒徑0.5～2.0 cm，第二層粒徑2.0～8.0 cm，與上游反濾料類型相同。

2 主壩運行中出現(xiàn)的問題和處理情況

1995年1月5日，南主壩的南裹頭護坡滑塌。1995年11月8日，南主壩護坡水毀；2000年12月13日，南北主壩護坡水毀塌陷。1995～1997年利用100號水泥砂漿對復建新砌干砌塊石護坡105.00～110.00 m高程范圍進行表面粘結；2001年利用200號細石混凝土對110.00～115.30 m高程范圍內復建新砌的干砌塊石護坡進行灌縫粘結[2]。目前，主壩無結構失穩(wěn)情況，壩體變形較穩(wěn)定，壩頂及防浪墻無明顯裂縫；各種排水、導滲設施無斷裂、損壞、阻塞、失效現(xiàn)象，排水暢通；護坡整體砌塊完好，砌縫緊密，未見大面積松動、塌陷、脫落、風化、凍毀、架空現(xiàn)象[3]。

3 主壩變形評述

主壩僅北主壩設有變形監(jiān)測設施。水平位移因觀測儀器精度低，已停測；豎向位移每年4月和10月各觀測一次，觀測資料序列為1992年4月～2008年10月。

3.1 豎向位移評述

經(jīng)對豎向位移觀測資料進行分析[4]，北主壩豎向位移有以下變化規(guī)律。

（1）壩頂在1991年底主體工程竣工后的4 a內沉降較快，尤其是原導流明渠部位新回填的壩體（樁號0+800～1+200）沉降稍大，年沉降速率9.1～12.2 mm/a。北臺地（樁號0+100～0+800）復建工程是在殘留粘土心墻削坡加高、培厚形成的，新填壩體部分僅高約10 m，北臺地壩段沉降量相對較小，沉降速率1.1～6.6 mm/a。

1995年底以后，導流明渠新填壩段壩體沉降速率略大，沉降速率1.0～3.7 mm/a，最大累計沉降量約161.73 mm（發(fā)生在樁號1+199.80處），其值在設計允許范圍（20 cm）內，沉降現(xiàn)呈收斂狀態(tài)發(fā)展。北臺地土壩壩頂沉降速率較小，沉降速率一般為0.9～0.2 mm/a，目前沉降變化趨于穩(wěn)定，最大累計沉降量約123.4 mm（發(fā)生在0+800壩頂處）。

另外，2001年壩頂沉降點出現(xiàn)臺階性躍變，原因是所引據(jù)的水準基點遭破壞，后對1號工作基點進行校核，基點高程發(fā)生變化，導致累計沉降量增大。

（2）北臺地壩頂沉降與地形輪廓線較一致。樁號0+800～1+200壩段壩頂沉降量較大，主要與其壩身較高及原導流明渠段為新填壩體有關。樁號1+200～1+311.47壩段沉降量較小，主要與該壩段測點位于北裹頭附近、壩體內多為混凝土刺墻結構有關。其它壩頂測點沉降量變化平緩。

3.2 壩頂縱向傾度評述

根據(jù)測點沉降量估算壩頂縱向傾度，計算成果[4]見表1。1992年4月～2008年10月沉降發(fā)展過程中，測點間傾度較小，最大值0.157%，依據(jù)工程經(jīng)驗，壩頂發(fā)生橫向裂縫可能性不大。

4 主壩結構抗滑穩(wěn)定分析

4.1 計算斷面與參數(shù)

選擇北主壩0+800斷面、1+000斷面（導流明渠）以及南主壩1+580斷面作為抗滑穩(wěn)定計算分析斷面。計算簡圖見圖1。

計算指標參數(shù)主要根據(jù)1951～1952年初建、1954年裂縫檢查、1978～1992年復建三期工程地勘資料及施工中壩體取樣試驗資料[5]，并參考相關設計資料、各分區(qū)填筑質量及其它類似工程經(jīng)驗，綜合確定。壩坡穩(wěn)定分析輸入?yún)?shù)見表2。

4.2 計算方法與工況

計算方法采用計及條塊間力的簡化畢肖普法[6]，選擇圓弧型滑裂面進行分析。根據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，板橋水庫壩址工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，相應的地震基本烈度為6度。按規(guī)范要求，主壩不需進行抗震安全復核。根據(jù)現(xiàn)狀運行情況及規(guī)范，本次對主壩上、下游坡進行了抗滑穩(wěn)定計算分析。計算程序為中國水利水電科學研究院開發(fā)的STAB95穩(wěn)定分析軟件。根據(jù)水庫具體情況及規(guī)范要求，主要分析正常運用、非常運用I情況下的主壩上、下游坡抗滑穩(wěn)定性，具體計算工況見表3。

4.3 孔隙水壓力確定

穩(wěn)定滲流期的壩體內部孔隙水壓力根據(jù)主壩滲流計算分析結果[7]并結合監(jiān)測資料分析[4]綜合確定；庫水位降落期的壩體內部孔隙水壓力根據(jù)規(guī)范采用近似方法確定。主壩上游坡為砂殼，庫水位驟降后，假設壩殼內的孔隙水壓力迅速消散。

4.4 計算結果分析

表1 主壩頂縱向傾度計算成果Table1:Calculation result of longitudinal inclination of main dam crest

圖1 主壩計算簡圖Fig.1 Main dam cross sections

表2 穩(wěn)定分析選用物理力學指標表Table 2:Physical-mechanical properties of the material in calculation

表3 主壩抗滑穩(wěn)定計算安全系數(shù)成果Table 3:Safety coefficients for structural stability computation against sliding

根據(jù)規(guī)范[6]要求，對2級建筑物，采用簡化畢肖普法分析時：正常運用條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應不小于1.35；非常運用條件I下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應不小于1.25。對上游坡水位降落情況，當同時采用總應力法與有效應力法進行分析時，應以較小的安全系數(shù)作為依據(jù)。

抗滑穩(wěn)定計算結果見表3。由表3可見，主壩在正常運用條件及非常運用工況I條件下，壩坡靜力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值。因此，主壩抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

5 其他結構安全問題

5.1 壩頂寬度和超高復核

南主壩、北主壩壩頂寬度8.0 m，滿足規(guī)范[6]中對低壩壩頂寬度5.0～10.0 m的規(guī)定。根據(jù)防洪復核，現(xiàn)狀壩頂超高滿足防洪安全要求；防滲心墻頂設有防浪墻，且正常蓄水位低于心墻頂高程，現(xiàn)狀防滲體頂超高滿足防洪安全要求。

5.2 護坡穩(wěn)定性評價

北主壩、南主壩上游坡均采用干砌石護坡，下游壩段主要采用草皮護坡。運行過程中，南、北主壩曾因護坡厚度不足，出現(xiàn)護坡水毀和滑塌的情況，采用水泥砂漿表面粘結或細石混凝土灌縫粘結的方式加固處理。從運行情況看，近期運行情況良好；從此次現(xiàn)場檢查情況看，護坡外觀完整、無明顯破損情況。

6 結論和建議

綜上所述，目前主壩運行狀態(tài)良好，壩體沉降已基本穩(wěn)定，壩體產生裂縫的可能性較?。粔纹驴够€(wěn)定安全基本滿足規(guī)范要求；壩頂寬度和超高滿足規(guī)范要求，護坡穩(wěn)定性良好。建議繼續(xù)加強對主壩的監(jiān)測和檢查，及時對觀測資料進行整編分析，加強安全管理，保障主壩工程安全。

[1]南京水利科學研究院.板橋水庫洪水復核和防洪安全評價報告[R].2008.

[2]駐馬店市板橋水庫管理局.駐馬店市板橋水庫大壩運行管理報告[R].2008.

[3]板橋水庫現(xiàn)場安全檢查專家組.河南省駐馬店市板橋水庫現(xiàn)場安全檢查報告[R].2008.

[4]南京水利科學研究院.駐馬店市板橋水庫大壩安全監(jiān)測資料分析報告[R].2008.

[5]中華人民共和國水利部.SL274-2001，碾壓式土石壩設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社,2002.

[6]南京水利科學研究院.河南省駐馬店市板橋水庫大壩工程質量安全評價報告[R].2008.

[7]南京水利科學研究院.河南省駐馬店市板橋水庫土壩滲流、結構穩(wěn)定分析報告[R].2008.