南沙河水庫大壩結(jié)構(gòu)安全分析

劉 濤

（1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 工程概況

南沙河水庫屬?。ㄒ唬┬退畮臁屑~工程包括大壩、溢洪道和泄洪洞工程。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高33 m，壩頂寬18 m，壩長220 m，無排水設(shè)施。溢洪道位于大壩左端，為橋涵式溢洪道，進(jìn)口由4孔橋式涵洞組成，進(jìn)口底高程912 m，涵洞長19.5 m，每孔凈寬2.4 m，墩高0.7 m，拱高0.7 m，出口無消能設(shè)施。泄洪洞位于大壩右端，鋼筋混凝土箱式涵洞，斷面尺寸2.2 m×2.2 m，為無控制的自由泄水，進(jìn)口底高程900 m，出口底高程898.7 m，縱坡為2%，洞長約65.0 m，設(shè)計(jì)最大流量40 m3/s。

2 大壩變形分析

經(jīng)鑒定，南沙河水庫大壩施工質(zhì)量不合格。壩體填土過程中對(duì)上壩土料的鋪墊厚度及碾壓次數(shù)控制不嚴(yán)格，且常有凍土埋入，無灑水、刨毛程序，填土干容重各部位和層次差別較大，孔隙率較高，無現(xiàn)場(chǎng)干容重檢測(cè)，大壩回填土干密度較低且極不均勻，說明土壩工程質(zhì)量很差。通過探坑和探井取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)分析，土壩干密度低，平均僅1.53 g/cm3。壩體土主要為低液限粉土，局部為低液限黏土，土質(zhì)不均勻，干密度偏低，多具中等壓縮性，部分壩體土具濕陷性，壩體質(zhì)量較差。本次校核，壩坡較原設(shè)計(jì)變形嚴(yán)重，壩體上游壩坡基本完好，下游壩坡雜草叢生，垃圾成堆，而且縱橫排水系統(tǒng)已損壞，無法起到排水作用。此外，壩體中發(fā)現(xiàn)有鼠洞，對(duì)大壩穩(wěn)定不利，壩基未做任何防滲處理，有滲漏現(xiàn)象。

溢洪道出口段為土渠，抗沖刷能力弱，易形成沖刷坑，而且現(xiàn)有溢洪道出口處泄洪不暢，有1個(gè)孔及溢洪道部分被垃圾完全堵塞，影響正常泄洪。

泄洪洞埋置于壩體內(nèi)，箱涵多處損壞，混凝土受損剝離，鋼筋外露，存在漏水問題。漏水有可能沿泄洪洞洞身與壩體土接觸處滲流，壩體土存在接觸沖刷隱患，對(duì)壩體穩(wěn)定不利。

左壩肩上部為土質(zhì)岸坡，巖體穩(wěn)定性較好，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，沒有發(fā)現(xiàn)不良現(xiàn)象。因左壩肩巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，且有不同程度的張開，具中等透水性，級(jí)配不良礫和砂巖巖層為庫水滲漏層位，左壩肩存在繞壩滲漏問題。右壩肩上部為土質(zhì)岸坡，巖體較穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，沒有發(fā)現(xiàn)不良現(xiàn)象。因右壩肩砂巖巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，且有不同程度的張開，為庫水滲漏通道，右壩肩存在繞壩滲漏問題。

此次水庫變形復(fù)核結(jié)果表明，大壩壩頂南高北低，高程在913.5～919.7 m，大壩中間段高程915.1～915.5 m，基本維持原設(shè)計(jì)壩高915 m。溢洪道由開敞式溢洪道改建為橋涵式溢洪道，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)構(gòu)斷面尺寸基本維持原狀，沒有發(fā)生明顯變形。

庫區(qū)淤積較嚴(yán)重，目前實(shí)測(cè)庫區(qū)近壩庫底高程約900 m左右，基本與泄洪洞進(jìn)口底板高程相同，庫區(qū)淤積厚達(dá)7.5 m左右。

3 大壩穩(wěn)定分析

3.1 穩(wěn)定計(jì)算工作條件

本次勘察在壩頂布置2個(gè)鉆孔，壩坡布置2個(gè)探井，共取原狀土樣36組，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。

顆粒組成：壩體土屬粉土，干密度1.53 g/cm3，最小值1.29 g/cm3，土粒比重2.70，其天然含水率7.9%～25.5%，平均值17.4%。從防滲能力考慮，滲透系數(shù)平均 1.80×10-5cm/s，大值平均值 4.03×10-5cm/s，為弱透水性。孔隙比均值0.707，壓縮系數(shù)均值0.23 MPa-1，具中等壓縮性。

壩體土在一定水力坡降下，發(fā)生滲透變形，形式為流土，其允許坡降確定為：當(dāng)滲流自下而上滲出時(shí)，臨界坡降J按下式確定：

式中：GT——土粒比重，取2.70；

n——孔隙率，取41.4%。

將數(shù)值代入上式得J臨界＝0.996，安全系數(shù)為2.0，則 J允許＝0.498。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算方法

本次壩體穩(wěn)定計(jì)算選用北京理正軟件公司設(shè)計(jì)的邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為圓弧法中的簡化畢肖普法，采用有限元方法計(jì)算公式和穩(wěn)定滲流期有效應(yīng)力法，具體公式為：

式中：k——壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)；

b——條塊寬度，m；

w1——在壩坡外水位以上的條塊實(shí)重，kN；

w2——在壩坡外水位以下的條塊實(shí)重，kN；

μ——穩(wěn)定滲流期或庫水位降落期壩體或地基中的孔隙水壓力，kPa；

z——壩坡外水位離條塊底面中點(diǎn)的距離，m；

β——條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；

rw——水的重度，kN/m3；

c′，準(zhǔn)′——土的抗剪指標(biāo)。

3.3 穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)確定

鑒于水庫的工程地質(zhì)特點(diǎn),本次大壩安全復(fù)核計(jì)算參數(shù)的選取主要根據(jù)本次對(duì)壩體挖探坑取土樣試驗(yàn)成果資料及以往建庫經(jīng)驗(yàn)并參考有關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行取值，見表1。

表1 土壩穩(wěn)定計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)采用值

3.4 壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由于本次復(fù)核水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)部頒標(biāo)準(zhǔn)，故本次大壩壩坡穩(wěn)定復(fù)核以水庫現(xiàn)狀可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核分析計(jì)算，即對(duì)水庫正常運(yùn)用情況（庫水位為正常蓄水位911.5 m）壩體形成穩(wěn)定滲流時(shí)上下游壩坡的穩(wěn)定情況、非常運(yùn)行情況（庫水位從校核水位913.5 m降落到汛限水位910.5 m）時(shí)上游壩坡穩(wěn)定情況和校核水位913.5 m時(shí)下游壩坡的穩(wěn)定情況兩種工況進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 大壩穩(wěn)定分析計(jì)算成果表

3.5 壩坡計(jì)算成果分析

本次計(jì)算主要以大壩最大剖面進(jìn)行。根據(jù)計(jì)算成果所制的壩坡在各種情況下的滑弧圖分析可知，在庫水位達(dá)到汛限水位910.5 m和校核水位913.5 m時(shí)，壩內(nèi)浸潤線在下游后壩坡出逸，到下游坡腳剩余水頭最大為0.421，但水力坡降為0.864，遠(yuǎn)大于壩體土允許水力坡降0.498。其原因有以下幾個(gè)方面：一是壩體土填筑質(zhì)量較差，壩體土干密度較小，滲透系數(shù)較大；二是壩基座落在砂礫石層上，其滲透系數(shù)較大，約是壩體土的480倍，由于下游排水不暢，導(dǎo)致浸潤線以下壩體土處于飽和狀態(tài)，相應(yīng)抬高壩址區(qū)地下水位。從壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果來看，上游壩坡在正常運(yùn)用情況和非常運(yùn)用情況抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)分別為3.139和3.8，滿足規(guī)范要求；下游壩坡在兩種運(yùn)用情況抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)分別為1.11和1.096，均不滿足規(guī)范要求，因此大壩在正常和非常運(yùn)用情況下游壩坡是不穩(wěn)定的。

4 結(jié)語

經(jīng)分析計(jì)算，南沙河水庫大壩壩基存在嚴(yán)重的滲透變形隱患，壩體施工質(zhì)量較差，下游壩坡不穩(wěn)定，且由于亂倒垃圾，已失去原有壩型，存在高水位情況下因壩基滲透破壞造成的壩體失穩(wěn)隱患，建議盡早進(jìn)行除險(xiǎn)加固。