白草坪水庫(kù)主壩滲流穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

□白 川

白草坪水庫(kù)位于河北省贊皇縣西部山區(qū)，槐河干流上游，屬于中型水庫(kù)，是槐河防洪的骨干工程，自建庫(kù)以來(lái)，攔蓄洪水多次，防洪效益高達(dá)數(shù)十億元，為保護(hù)水庫(kù)下游贊皇、元氏、高邑等縣數(shù)十萬(wàn)人口，京廣鐵路、京深高速公路及許多重要城鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)人員生命及財(cái)產(chǎn)安全，故對(duì)其進(jìn)行安全鑒定，確定水庫(kù)主壩是否需要采取除險(xiǎn)加固等工程措施。

1.工程概況

白草坪水庫(kù)是1 座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利樞紐工程。水庫(kù)總庫(kù)容4492 萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容1641 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容2387萬(wàn)m3，死庫(kù)容120 萬(wàn)m3。水庫(kù)樞紐工程主要由主壩、副壩、正常溢洪道、非常溢洪道、輸水洞和水電站等建筑物組成。

主壩為以黏土為主的混合壩，壩頂高 程297.0～298.0m，頂 寬5.0m，設(shè) 有0.2～1.2m 高的漿砌石防浪墻，最大壩高42.0m，壩頂長(zhǎng)550.0m，壩基設(shè)黏土截水槽。大壩上下游壩坡均為干砌石護(hù)坡，上游壩坡在高程283.0m 處設(shè)1 條3.0m寬的馬道，馬道以上邊坡為1∶2.6，以下邊坡為1∶3.0 至高程279.0m，設(shè)6.0m 寬?cǎi)R道，279.0m 馬道以下邊坡為1∶3.5 至高程275.0m，設(shè)8.0m 寬?cǎi)R道，275.0m 馬道以下邊坡為1∶3.5 至高程268.0m，設(shè)10.0m 寬?cǎi)R道，268.0m 馬道以下邊坡為1∶2.0 至壩底；下游壩坡在高程285.0m和272.0m 處各設(shè)一條2.0m 寬的馬道，高 程285.0m 以 上 壩 坡 為1∶2.0，高 程285.0～272.0m 邊 坡 為1∶2.65，高 程272.0m 以下邊坡為1∶2.75m。上游壩坡結(jié)構(gòu)共分4 層，由內(nèi)而外分別為：20.0cm 厚砂墊層、60.0cm 厚砂卵石、30.0cm 厚碎石、40.0cm 厚干砌石。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）規(guī)定，白草坪水庫(kù)為中型水庫(kù)，工程等別確定為Ⅲ等，其大壩、溢洪道、輸水洞等主要永久性建筑物級(jí)別為3 級(jí)，次要永久性建筑物級(jí)別為4 級(jí)。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）規(guī)定：水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 年一遇。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），白草坪水庫(kù)地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

2.工程地質(zhì)條件

地質(zhì)鉆探揭露壩址處基巖以太古代（γ1）侵入花崗巖為主，局部有早元古代呈脈狀侵入的輝綠巖（ν21），主壩南段壩底局部分布有第四系中更新統(tǒng)冰磧（Q2g1）泥礫及沖洪積（Q2al+pl）粉 質(zhì)黏 土，主壩下游及馬峪溝河床覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q2al+pl）卵石，壩體為人工填筑（Qm）粉質(zhì)黏土及粉土。

主壩砂卵石壩基防滲采用黏土截水槽，截水槽位于約1/2 壩底寬度處，截水槽底部與相對(duì)不透水層基巖接壤，截水槽底寬7.0m，高13.0m，兩側(cè)邊坡均為1∶0.54。截水槽黏土平均滲透系數(shù)為3.81×10-5cm/s。主壩砂卵石壩基滲流控制選形、截水槽尺寸及截水槽土體材料物理性質(zhì)均滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）要求。

主壩南段壩底局部分布有第四系中更新統(tǒng)冰磧（Q2g1）泥礫，具一定透水性，該段基巖為中等風(fēng)化花崗巖，巖心較為破碎，有節(jié)理裂隙發(fā)育，針對(duì)此問(wèn)題2003 年水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程采取對(duì)主壩南段基巖裂隙、泥礫層、壩體與地基接觸面進(jìn)行灌漿處理措施。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，主壩南段下游臺(tái)地排水溝內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

3.滲流分析

3.1 滲流現(xiàn)場(chǎng)檢查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，主壩下游排水溝內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

3.2 滲流監(jiān)測(cè)資料分析

水庫(kù)在2003 年除險(xiǎn)加固工程實(shí)施以前，測(cè)壓管水位長(zhǎng)期表現(xiàn)異常，大部分測(cè)壓管水位與庫(kù)水位不相關(guān)，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)期高于庫(kù)水位的異?，F(xiàn)象，且測(cè)壓管水位與降雨量關(guān)系密切，當(dāng)庫(kù)區(qū)降雨量較大時(shí)，測(cè)壓管水位出現(xiàn)短期的上升，隨后又很快回落至降雨前水位附近。2003 年水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程針對(duì)此異?，F(xiàn)象進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為壩體內(nèi)存在含水量較高的高飽和度土層，在壩體內(nèi)形成滯水，導(dǎo)致測(cè)壓管水位長(zhǎng)期表現(xiàn)異常。針對(duì)此問(wèn)題除險(xiǎn)加固工程提出對(duì)壩體內(nèi)高飽和度土層采取打井強(qiáng)排措施處理。

此次將收集到的2005、2010、2015、2016 年滲流觀測(cè)資料與2003 年除險(xiǎn)加固工程之前1999 年的滲流觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。2005 年、2010 年測(cè)壓管水位基本上隨庫(kù)水位的變化而變化，說(shuō)明2003 年除險(xiǎn)加固工程采取的措施是可行有效的，2015、2016 年部分測(cè)壓管出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，且與降水量關(guān)系密切。分析主要有兩種可能：一是壩體內(nèi)仍存在高飽和度土層，形成滯水，造成部分測(cè)壓管水位高于庫(kù)水位。二是測(cè)壓管管口封閉不嚴(yán)，壩坡降雨流入管內(nèi)，造成部分測(cè)壓管水位受降雨量影響。

圖1 主壩計(jì)算橫斷面圖

由以上滲流觀測(cè)資料分析，可得出以下結(jié)論：一是2003 年除險(xiǎn)加固工程采取的措施對(duì)大壩滲流起到有利影響。二是壩體內(nèi)仍存在高飽和度土層，導(dǎo)致部分測(cè)壓管水位異常，且測(cè)壓管水位受降雨影響較大，已不能反應(yīng)壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的真實(shí)情況。

3.3 滲流計(jì)算分析

采用的物理參數(shù)。滲流計(jì)算參數(shù)采用壩體土物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，壩體主要為人工填筑粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)為5.91×10-5cm/s，壩基為砂卵石及堆石，滲透系數(shù)為5×10-2cm/s。主壩計(jì)算斷面見(jiàn)圖1。

計(jì)算方法。壩體滲流計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編制的《水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)（autobank7.07）》，該程序已經(jīng)通過(guò)了河海大學(xué)和黃委水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院的聯(lián)合測(cè)試。

計(jì)算工況。穩(wěn)定滲流期：正常蓄水位288.0m 情況下的穩(wěn)定滲流期；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 情況下的穩(wěn)定滲流期；校核洪水位296.16m 情況下的穩(wěn)定滲流期。非穩(wěn)定滲流期：正常蓄水位288.0m 降至死水位265.14m 情況下的非穩(wěn)定滲流期；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m 情況下的非穩(wěn)定滲流期；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m 情況下的非穩(wěn)定滲流期。

計(jì)算結(jié)果。穩(wěn)定滲流期：正常蓄水位288.0m 滲透坡降計(jì)算值為0.20，小于滲透坡降允許值0.33；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 滲透坡降計(jì)算值為0.25，小于滲透坡降允許值0.33；校核洪水位296.16m 滲透坡降計(jì)算值為0.27，小于滲透坡降允許值0.33。非穩(wěn)定滲流期：正常蓄水位288.0m 降至死水位265.14m 滲透坡降計(jì)算值為0.16，小于滲透坡降允許值0.33；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m 滲透坡降計(jì)算值為0.21，小于滲透坡降允許值0.33；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m 滲透坡降計(jì)算值為0.23，小于滲透坡降允許值0.33。

由以上分析可知，主壩在各工況下滲透坡降計(jì)算值均小于允許值，壩后設(shè)有大體積的棱體排水，可以起到有效反濾作用，壩體滲透穩(wěn)定滿足要求。

4.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

4.1 變形監(jiān)測(cè)資料分析

對(duì)主壩下游285.0m 馬道4 處觀測(cè)點(diǎn)自2008～2016 年的觀測(cè)資料進(jìn)行整理并匯總，分析可知，主壩各觀測(cè)點(diǎn)沉降量逐年減小，沉降過(guò)程規(guī)律正常，沉降已基本穩(wěn)定。主壩最大累計(jì)沉降量82.7mm，沉降率0.2%。用沉降率指標(biāo)判斷大壩沉降量是否產(chǎn)生影響大壩安全的過(guò)大沉陷，一般情況下，土壩沉降量達(dá)壩高的3%左右，不致危及大壩安全。主壩的最大累計(jì)沉降量在允許范圍之內(nèi)。

4.2 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

采用的物理參數(shù)。大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)采用壩體土物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，壩體主要為人工填筑粉質(zhì)黏土，黏粒含量為16.4%～33.5%，平均值23.8%；塑 性 指 數(shù)8.4～14.1，平 均 值11.3；干 密 度1.57～1.69g/cm3，平 均 值1.64g/cm3；平均滲透系數(shù)5.91×10-5cm/s。

計(jì)算方法。白草坪水庫(kù)主壩按均質(zhì)土壩計(jì)算，壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用不計(jì)及條塊間作用力的瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算，允許最小安全系數(shù)按規(guī)范規(guī)定折減8%。本次計(jì)算軟件采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（AutoBank7.07）進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算工況。正常運(yùn)用條件：正常蓄水位288.0m 形成穩(wěn)定滲流的上、下游壩坡；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 形成穩(wěn)定滲流的上、下游壩坡；正常蓄水位288.0m降至死水位265.14m，上游壩坡；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m，上游壩坡。非常運(yùn)用條件：校核洪水位296.16m 形成穩(wěn)定滲流的上、下游壩坡；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m，上游壩坡。

計(jì)算結(jié)果。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，結(jié)合以上工況計(jì)算結(jié)果如下。正常運(yùn)用條件：正常蓄水位288.0m 形成穩(wěn)定滲流時(shí)上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為1.828，下游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為1.579，大于安全系數(shù)允許值1.20；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 形成穩(wěn)定滲流時(shí)上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為2.185，下游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為1.473，大于安全系數(shù)允許值1.20；正常蓄水位288.0m 降至死水位265.14m 時(shí)上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為1.287，大于安全系數(shù)允許值1.20；設(shè)計(jì)洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m 時(shí)上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為1.625，大于安全系數(shù)允許值1.20。非常運(yùn)用條件：校核洪水位296.16m 形成穩(wěn)定滲流時(shí)上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為2.283，下游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為1.424，大于安全系數(shù)允許值1.10；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m 時(shí)上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算值為1.528，大于安全系數(shù)允許值1.10。

由以上分析可知，在各種工況下，主壩上、下游壩坡均能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

5.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析可得：白草坪水庫(kù)主壩的滲流穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，因此，認(rèn)為白草坪水庫(kù)主壩結(jié)構(gòu)安全?！?/p>