河南光山五岳水庫主壩變形分析及穩(wěn)定性復(fù)核

丁秀英，趙海濱

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

1 工程概況

河南省光山縣五岳水利樞紐位于淮河一級支流寨河主干青龍河上游，于1966 年9 月始建，1971 年底竣工蓄水，是淮河上游一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合運(yùn)用的大型水利樞紐。 該樞紐原防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇洪水設(shè)計(jì)， 千年一遇洪水校核，主體工程有主壩、副壩、溢洪道、副溢洪道、輸水洞等。

樞紐主壩位于光山縣城西南35 km 南向店鄉(xiāng)長沖村境內(nèi)。 壩體為黏土心墻砂殼壩，壩頂長561 m，壩頂寬5.5 m，最大壩高28.8 m，壩頂高程為93.7 m，黏土心墻頂部高程93.0 m。 大壩上游坡面為塊石護(hù)砌，壩坡分3 級：1:2.4、1:3、1:3.25。 下游壩坡，84.5 m平臺以下為塊石護(hù)坡，以上為草皮護(hù)坡，也分3 級：1:1.9、1:2.5、1:2.5。 心墻黏性土料以粉質(zhì)黏土和重粉質(zhì)壤土為主。 壩殼填料，在黏土心墻上游85.0 m 高程以上為代替料，以下為砂礫石；黏土心墻下游側(cè)，主河槽段78.0 m 高程以上為代替料，以下為砂礫石；臺地段82.0 m 高程以上為代替料，以下為砂礫石。

主河槽段，壩殼上游坡度由頂向下為1:2.4、1:3和1:3.25 3 級，下游坡度由頂向下為1:1.9、1:2.5、1:2.5 3 級，上、下游坡在84.5 m 和76.5 m 高程處均設(shè)有戧臺，戧臺寬為1.5 m。 臺地段壩殼上游坡度由頂向下為1:2.4 和1:3 分為2 級，下游坡度由頂向下為1:1.9 和1:2.5 分為2 級，上、下游坡在84.5 m 高程處設(shè)有戧臺，戧臺寬為1.5 m。

五岳水利樞紐自投入運(yùn)行以來，所在河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)有了很大提高，累計(jì)灌溉用水6.45 億m3，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收發(fā)揮了巨大效益。 經(jīng)過多年的運(yùn)行后，出現(xiàn)的主要問題有：（1）主壩防浪墻裂縫及鋼筋混凝土碳化嚴(yán)重。 （2）主壩壩頂下游側(cè)路沿石擋墻嚴(yán)重傾斜。 （3）主壩內(nèi)外護(hù)坡坍塌，導(dǎo)排水設(shè)施毀壞。 主壩迎水坡塊石護(hù)坡，出現(xiàn)多處大面積塊石坍塌、空洞等現(xiàn)象。 壩下游84.5 m 高程平臺以下塊石護(hù)坡、導(dǎo)滲溝和壩坡縱橫向排水溝塊石自然老化、風(fēng)化剝落、毀壞嚴(yán)重。 塊石表面風(fēng)化嚴(yán)重，左側(cè)局部塊石顏色較深（較強(qiáng)風(fēng)化，或采用了風(fēng)化石材），護(hù)坡局部變形，主要表現(xiàn)為中部下沉。 （4）壩體背水坡出現(xiàn)大面積滲水，在南臺地、北壩頭山體與壩體接合處出現(xiàn)集中滲水現(xiàn)象。 （5）存在白蟻危害。

2 主壩變形分析

2.1 主壩變形觀測設(shè)施的布設(shè)

樞紐主體工程于1973 年開始埋設(shè)觀測設(shè)備，在主壩上共布設(shè)5 排25 個(gè)沉降觀測標(biāo)點(diǎn)。 其河槽段觀測管安裝如圖1 所示。

2.2 垂直位移觀測資料分析

由于在五岳水利樞紐壩體施工時(shí)沒有埋設(shè)分層固結(jié)管，故占總沉降量80%左右的施工期沉降量無法觀測。 位移標(biāo)點(diǎn)于1973 年3 月埋設(shè)，由于當(dāng)時(shí)缺乏觀測儀器，直到1977 年4 月份才實(shí)測一次。 實(shí)測中發(fā)現(xiàn)， 原埋設(shè)的鋼筋頭和鐵板已全部銹蝕。 1977年壩頂加高時(shí)，改為紫銅標(biāo)點(diǎn)和紫銅板配不銹鋼尺，于當(dāng)年11 月份重新測定。

主壩運(yùn)行期各沉降沉降量(1977.11～2002.11)如表1 所示，其中壩頂軸線標(biāo)點(diǎn)（心墻）累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

圖1 主壩河槽段觀測管安裝圖Fig.1 Sighting tube installation of main dam river channel

表1 主壩各沉降點(diǎn)沉降量特征值統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）Table 1 Statistics of settlement eigenvalue of each settlement points of main dam（Unit: mm）

表2 主壩軸線壩頂標(biāo)點(diǎn)(土心)累計(jì)沉降量特征值統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）Table 2 Statistics of accumulative total settlement eigenvalue of dam crest sign (soil core) of main dam axis (Unit: mm)

通過對表1 和表2 的分析得出以下結(jié)論： 在運(yùn)行初期，曲線坡度陡、年際沉降差值大，說明沉降速度快；運(yùn)行后期，曲線坡度緩、年際沉降差值小，說明沉降速度變慢。1992 年以后，沉降曲線趨于平緩，年際沉降差值更小，每年的沉降量為0.1～4.8mm，僅為壩高的0.00034～0.016%，小于“穩(wěn)定沉降量0.02%”的標(biāo)準(zhǔn)，說明目前壩體沉降趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

主壩總體沉降趨勢為：沿壩軸線方向，主河槽段沉降較小，南岸臺地段沉降量較大，兩壩肩沉降量較小。 經(jīng)分析，其原因是：主河槽段基巖主要為云母石英片巖、弱風(fēng)化斑狀角閃片巖，表層為弱風(fēng)化層，變形量小，而南岸臺地段壩基為較厚的中重粉質(zhì)壤土，壓縮性相對較大，壩體從壩肩到主河槽段和臺地段總體沉降量均勻。 在垂直壩軸線方向，壩軸線沉降量最大，在89.5 m 處較大，84.5 m 次之，76.5 m 處沉降最小，因?yàn)閴屋S線回填土最厚，76.5 m 處回填土最薄。 在89.5m 處上游，沉降量比下游小，因上游填筑的砂礫石厚度大，代替料厚度小，而下游填筑的砂礫石厚度小，代替料厚度大。 綜上所述，說明不論從順壩軸線方向，還是從垂直壩軸線方向，主壩壩體總體沉降反映了不同壩高、不同填料及不同壩基地層與沉降量大小的變化規(guī)律， 而且沉降量在壩軸線兩個(gè)方向的變化是均勻的、漸變的。

2.3 主壩水平位移觀測資料分析

分析各觀測點(diǎn)歷年累計(jì)水平位移量（表3～表4），可得出以下結(jié)論：1977～2002 年間，上游89.5 m 高程處的4 個(gè)標(biāo)點(diǎn)累積位移量為＋11.5～-2.5 mm（向上游為正，向下游為負(fù)），壩頂軸線處7 個(gè)標(biāo)點(diǎn)的累積位移量在＋51.8～-11.8 mm 之間，其中6 個(gè)點(diǎn)位移偏向上游。 這是反常的。 壩下游84.5 m、76.5 m 高程處的6 個(gè)標(biāo)點(diǎn)的累積位移量為-14.5 mm～-2.0 mm， 均偏向下游，說明下游壩坡有下滑的趨勢。

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：沿壩軸線方向，主河槽段壩體填筑高度較大，沉降量較小，而南岸臺地段壩體填筑高度小，沉降量卻相對較大，這是因?yàn)槟吓_地段壩基為較厚的中重粉質(zhì)壤土，經(jīng)過長期排水固結(jié)，因而沉降量大，大壩總體沉降量偏大。

3 主壩穩(wěn)定性復(fù)核

3.1 壩坡復(fù)核斷面的選取

根據(jù)主壩壩高、壩體結(jié)構(gòu)和地基的不同情況，選取0+140 和0+400 兩個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算。 0+140斷面代表主河槽段最大壩高斷面，壩基為斑狀角閃片巖；0+400 代表南岸臺地段， 壩基為中重粉質(zhì)壤土。

表3 主壩上、下游89.5m 高程處各觀測點(diǎn)歷年累計(jì)位移量特征值統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）Table 3 Statistics of cumulative displacement eigenvalue over the years of each observation points at the elevation of 89.5m of upstream and downstream of main dam (Unit: mm)

表4 主壩各觀測點(diǎn)歷年累計(jì)位移量特征值統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）Table 4 Statistics of cumulative displacement eigenvalue over the years of each observation points of main dam (Unit: mm)

3.2 主壩壩頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核

五岳水利樞紐主壩當(dāng)前壩頂高程為93.7 m，頂寬5.5 m，黏土心墻頂寬3.0 m，頂部高程93.0 m，心墻軸線與壩軸線距離0.85 m，偏向上游。 1976 年水庫續(xù)建加固時(shí)，在壩頂上加筑0.2 m 厚的路面（加固前壩頂高程為93.50 m），同時(shí)將原1.3 m 高的漿砌石防浪墻改建為混凝土防浪墻， 防浪墻頂高程為95.00 m。 荷載組合為結(jié)構(gòu)自重、土重、土壓力、汽車荷載（公路－Ⅱ級）。

防浪墻穩(wěn)定的控制情況為墻前無水、 墻背附近有汽車。 采用的指標(biāo)為：墻后回填土的內(nèi)摩擦角φ=32°，c=20 kPa；漿砌石與填土摩擦系數(shù)f=0.33，漿砌石密度ρ=2.3 g/cm3，黏土濕密度ρ=1.86 g/cm3。 計(jì)算結(jié)果見表5。 下游路肩穩(wěn)定的控制情況為墻前無水，墻附近有汽車 （公路－Ⅱ級）。 計(jì)算結(jié)果列于表5中。 從表中可知：在公路－Ⅱ級汽車荷載時(shí)，防浪墻抗滑、抗傾安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，路肩抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求， 基底已出現(xiàn)了拉應(yīng)力，而漿砌石不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。

表5 防浪墻和路肩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核表Table 5 Verification of wave wall and road shoulder structures safety

3.3 壩坡穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)有關(guān)“規(guī)范”的規(guī)定，五岳水庫總庫容為1.22 億m3，工程等別為Ⅱ等，屬大(2)型水庫，主要建筑物為2 級建筑物，次要建筑物為3 級建筑物。

3.3.1 計(jì)算工況

（1）上游坡。 在正常運(yùn)用條件下，庫水位分別為設(shè)計(jì)水位、 現(xiàn)狀水位和最不利水位時(shí)（考慮汽車荷載）。 在非常運(yùn)用條件下， 庫水位由校核水位91.53 m 突降至78 m 高程(死水位)；

（2）下游坡。 在正常運(yùn)用條件下，上游庫水位為設(shè)計(jì)水位、現(xiàn)狀水位在壩體形成穩(wěn)定滲流（考慮汽車荷載）。 在非常運(yùn)用條件下，上游庫水位為校核水位，在壩體形成穩(wěn)定滲流。

水庫地區(qū)地震基本烈度為6 度， 按照抗震規(guī)范的規(guī)定，不進(jìn)行抗震計(jì)算。

3.3.2 計(jì)算方法

采用簡化畢肖普法計(jì)算。 按有關(guān)“規(guī)范”要求，2級建筑物正常運(yùn)用條件安全系數(shù)K≥1.35， 非常運(yùn)用條件（無地震荷載）安全系數(shù)K≥1.25。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果

主河槽0+140 斷面處上、下游壩坡穩(wěn)定分析(校核水位)計(jì)算結(jié)果見圖2，復(fù)核計(jì)算成果見表6。

圖2 主河槽0+140 斷面上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算(校核水位)Fig.2 Stability calculation of dam slope of upstream and downstream in main river channel at(0+140) section

從整體情況看，壩體上游坡度較陡，下游坡度84.5m 高程平臺以上坡度較陡，僅有1∶1.9。 從壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果看， 主壩上游坡在正常運(yùn)用條件下安全系數(shù)K 值都能滿足規(guī)范要求，但在非常運(yùn)行條件下，其安全系數(shù)均小于1.25，壩坡不穩(wěn)定；下游坡在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)行條件下， 整體抗滑安全系數(shù)和一級平臺以下局部安全系數(shù)均小于1.25， 說明下游壩坡不穩(wěn)， 這與水平位移觀測資料分析結(jié)果下游壩坡有下滑的趨勢是一致的。

表6 五岳水庫主壩穩(wěn)定計(jì)算成果表Table 6 Main dam stability calculation of Wuyue reservoir

4 結(jié)語

（1） 沿壩軸線方向， 主河槽段壩體填筑高度較大，沉降量較小，而南岸臺地段壩體填筑高度小，沉降量卻相對較大。防浪墻抗滑、抗傾安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。 （2）路肩抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均不能滿足規(guī)范要求(基底已出現(xiàn)了拉應(yīng)力)。 （3）主壩上游坡在正常運(yùn)用條件下安全系數(shù)K 值能滿足規(guī)范要求，但在非常運(yùn)行條件下安全系數(shù)K＜1.25，不能滿足規(guī)范要求。（4）主壩下游坡在正常運(yùn)用和非常運(yùn)行條件下安全系數(shù)K＜1.25，均不能滿足規(guī)范要求。 （5）根據(jù)復(fù)核結(jié)果和《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主壩結(jié)構(gòu)安全綜合評價(jià)為C 級。

[1]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL258-2000，水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則[S].

[3]SL252-2000，水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 土壩裂縫及其觀測分析[M].北京：水利水電出版社，1979.