某水庫(kù)大壩穩(wěn)定復(fù)核

郭 晴

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

0 引言

某大型水庫(kù)始建于1959年，1961年攔洪蓄水，1970年移交管理，進(jìn)行過(guò)多次局部加固，水庫(kù)承擔(dān)著防洪、灌溉和發(fā)電的任務(wù)?，F(xiàn)狀壩體是多年歷次填筑而成，壩坡穩(wěn)定計(jì)算較為復(fù)雜。本文對(duì)該土壩壩坡穩(wěn)定復(fù)核過(guò)程作簡(jiǎn)要論述，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，為類似工程大壩穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

1 工程概況

本文研究的水庫(kù)是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電等綜合利用的大（2）型年調(diào)節(jié)水庫(kù)。樞紐工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2 級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3 級(jí)，采用100年一遇洪水設(shè)計(jì)、2000年一遇洪水校核，地震設(shè)防烈度為Ⅷ度。水庫(kù)正常蓄水位50.35 m。為方便閱讀，文中水位均采用相對(duì)高程，以壩基高程作為高程零點(diǎn)。

該水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪供水發(fā)電隧洞、水電站等建筑物組成。

大壩分為主壩段和副壩段，壩0+000～壩0+420 m為副壩段，壩0+420～壩0+720 m 為主壩段。壩型為水中填土均質(zhì)壩，最大壩高56.07 m，壩頂長(zhǎng)720 m，壩頂寬6 m。壩基砂礫石透水層采用深10 m、底寬10 m，邊坡為1∶1 的黏土截水槽防滲。下游設(shè)反濾排水棱體。副壩段截水槽在原小沖溝填筑，偏向上游，左岸端尚有60 m 未設(shè)截水槽，該段過(guò)槽剩余水頭較高，下游設(shè)虹吸管減壓井排水。大壩上游壩坡為1∶2.5～1∶2.75，為干砌塊石護(hù)坡，下游壩坡為1∶2～1∶3.5，在高程27.75 m 處設(shè)置10 m 寬砂礫料路面作為防洪搶險(xiǎn)公路，下游壩坡公路以上為方格碎石護(hù)坡，以下為干砌石護(hù)坡。

2 大壩穩(wěn)定計(jì)算

2.1 大壩穩(wěn)定分析斷面選擇

分析斷面主副壩各選取一個(gè)，且取主副壩壩高最大處，即：主壩段壩0+450、副壩段壩0+220，副壩段未考慮減壓井作用。

2.2 大壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)選取

壩體土土力學(xué)指標(biāo)對(duì)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。為此，勘察人員做了大量工作，對(duì)壩體質(zhì)量進(jìn)行了檢查，并委托太原理工大學(xué)巖土力學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)，巖土室進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)，勘察人員結(jié)合大壩現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查結(jié)果對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析并修正，以干密度ρd值為主要量化依據(jù)，同時(shí)考慮土體工程地質(zhì)特性等因素，將壩體土分為三個(gè)大區(qū),每區(qū)一般分上、下兩層，分層深度一般20 m 左右，共分為十個(gè)亞區(qū)，黃土臺(tái)地作為單獨(dú)的一個(gè)區(qū)。分區(qū)剖面圖見(jiàn)圖1。

I1上、I1下亞區(qū)分布于壩軸線兩側(cè)，寬約50 m，沿壩軸線展布；I2亞區(qū)分布于大壩下游28.75 m 公路平臺(tái)兩側(cè)，寬約20 m；Ⅱ1亞區(qū)分布于下游壩坡28.75 m 公路平臺(tái)以下至壩腳；Ⅱ2上、Ⅱ2下亞區(qū)分布于下游壩坡中上部，寬約60 m；Ⅱ3上、Ⅱ3下亞區(qū)分布于上游壩坡中上部，寬約75 m；Ⅲ上、Ⅲ下亞區(qū)分布于壩上游坡33.75 m 平臺(tái)至上游壩坡腳；黃土臺(tái)地位于副壩段下部。

本次大壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)取分區(qū)后土力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.3 計(jì)算軟件

計(jì)算軟件為河海大學(xué)《Autobank》軟件7.08 版。

2.4 計(jì)算工況選取

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），土石壩上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)計(jì)算的工況如下：

1）施工期的上、下游壩坡；

圖1 大壩填土分區(qū)剖面圖

表1 大壩穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

2）穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；

3）水庫(kù)水位降落期的上游壩坡；

4）正常運(yùn)用遇地震的上、下游壩坡。

該水庫(kù)現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定計(jì)算，不存在第1 種工況；本次計(jì)算2、3、4 種工況。其中，水位降落期的選取應(yīng)根據(jù)水庫(kù)歷年實(shí)際運(yùn)行情況選取，該水庫(kù)水位降落主要是汛期控制水位及為下游灌區(qū)供水。本次大壩穩(wěn)定復(fù)核主要計(jì)算分析近年實(shí)際灌溉期水庫(kù)水位降落上游壩坡穩(wěn)定安全情況。對(duì)近17年（2003年至2019年）灌溉期水位降落情況進(jìn)行分析，灌溉期基本為每年的3月中旬到5月底和11月中旬到12月底，灌溉期平均降速基本都小于0.25 m/d。平均降速最大是2006年11月22日至2007年1月1日，庫(kù)水位由47.05 m降至36.23 m，降幅為10.82 m，平均降速0.27 m/d。降幅最大是2004年3月15日至2004年6月2日，庫(kù)水位由47.68 m 降至32.24 m，降幅為15.44 m，平均降速0.20 m/d。本次水位降落期選取降幅最大和平均降速最大的年份作為最不利工況分別計(jì)算。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況（非抗震）如下：

1）穩(wěn)定滲流期：正常蓄水位50.35 m 時(shí)的上、下游壩坡穩(wěn)定；

2）庫(kù)水位降落期（運(yùn)行期降幅最大）：庫(kù)水位由47.68 m 降至32.24 m，降幅為15.44 m，平均降速0.20 m/d時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定；

3）庫(kù)水位降落期（運(yùn)行期平均降速最大）：庫(kù)水位由47.05 m 降至36.23 m，降幅10.82 m，平均降速0.27 m/d 時(shí)的上游壩坡穩(wěn)定。

抗震工況為以上三種工況分別遭遇地震時(shí)的壩坡穩(wěn)定計(jì)算。

2.5 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

分別對(duì)上述幾種工況進(jìn)行滲流計(jì)算，在滲流計(jì)算確定的滲流場(chǎng)基礎(chǔ)上再進(jìn)行壩坡穩(wěn)定計(jì)算，滲流計(jì)算和壩坡穩(wěn)定計(jì)算均采用河海大學(xué)《Autobank》軟件7.08 版進(jìn)行計(jì)算，滲流計(jì)算方法為有限元法，邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用畢肖普法。根據(jù)規(guī)范要求，穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法計(jì)算，壩體土的抗剪強(qiáng)度采用固結(jié)不排水指標(biāo)；庫(kù)水位降落期應(yīng)同時(shí)采用有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法，壩體土的抗剪強(qiáng)度采用固結(jié)不排水指標(biāo)，以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)，這是因?yàn)樵趲?kù)水位降落期，壩體黏性填土已經(jīng)固結(jié)飽和，水位降落時(shí)認(rèn)為黏性填土是不排水的，孔隙壓力不消散，與固結(jié)不排水試驗(yàn)情況相似，因而規(guī)定可采用飽和固結(jié)不排水剪的總強(qiáng)度指標(biāo)。壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3，滑弧位置以圖2～4 為代表。

表2 壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表（非抗震）

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果（抗震0.2 g）

3 大壩壩坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 非抗震情況

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，在正常蓄水位50.35 m 工況下，主、副壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.849，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

在庫(kù)水位限制降速0.25 m/d 的條件下，最危險(xiǎn)降幅段47.68 m-32.24 m，主、副壩上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.351，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.2 抗震情況

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，在正常蓄水位50.35 m 遇地震工況下，主、副壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小為1.386，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

在庫(kù)水位限制降速0.25 m/d、最危險(xiǎn)降幅段47.68 m-32.24 m、遭遇地震的工況下，主、副壩上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小為0.951，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，壩坡不穩(wěn)定，下一步應(yīng)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

圖2 壩0+450（主壩段）正常蓄水位+地震上、下游滑弧位置示意圖(有效應(yīng)力法)

圖3 壩0+450（主壩段）水位降落期+地震（47.68 m-32.24 m，歷時(shí)1852.8 h，降速0.2 m/d）上游滑弧位置示意圖（總應(yīng)力法）

圖4 壩0+450（主壩段）水位降落期+地震（47.05 m-36.23 m，歷時(shí)961.78 h，降速0.27 m/d）上游滑弧位置示意圖（總應(yīng)力法）

3.3 上游壩坡穩(wěn)定敏感性分析

在大壩填筑分區(qū)、主要工作條件等確定的情況下，大壩壩坡穩(wěn)定主要受壩體土土力學(xué)指標(biāo)控制。而土力學(xué)指標(biāo)影響因素很多，單純依靠試驗(yàn)提出的土力學(xué)指標(biāo)很難判斷大壩是否穩(wěn)定，因此需在試驗(yàn)提出的土力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析單一參數(shù)上下浮動(dòng)時(shí)壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化情況，即對(duì)大壩壩坡穩(wěn)定進(jìn)行敏感性分析。

主壩庫(kù)水位降落（47.68 m-32.24 m）遇地震時(shí)上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧主要穿過(guò)壩體Ⅱ3上、Ⅰ1上區(qū)，本次分析主壩在庫(kù)水位降落（47.68 m-32.24 m）遇地震工況下，采用總應(yīng)力法計(jì)算時(shí)，當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下，Ⅱ3上、Ⅰ1上兩區(qū)土力學(xué)指標(biāo)分別變化時(shí)，壩坡穩(wěn)定系數(shù)變化情況。結(jié)果見(jiàn)表4、5。

表4 敏感性分析表（Ⅱ3上區(qū)土力學(xué)指標(biāo)變化）

表5 敏感性分析表（Ⅰ1上區(qū)土力學(xué)指標(biāo)變化）

從表4、5 可看出：

1）大壩的穩(wěn)定安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角（Φ）和粘聚力（C）的增大而增大；

2）壩體Ⅱ3上區(qū)土力學(xué)指標(biāo)對(duì)大壩穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，而Ⅰ1上區(qū)土力學(xué)指標(biāo)對(duì)大壩穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小。分析其原因，主要有二：一是因?yàn)榛〈┻^(guò)的Ⅰ1上區(qū)比Ⅱ3上區(qū)少；二是Ⅱ3上區(qū)有部分為阻滑力區(qū)。

3）在當(dāng)前壩坡情況下，對(duì)于壩體Ⅱ3上區(qū)，當(dāng)C=14.5 kPa 時(shí)，Φ 每增加1°，安全系數(shù)增量約為0.04；當(dāng)Φ=10°時(shí)，C 每增加1 kPa，安全系數(shù)增量約為0.01。由此可得，內(nèi)摩擦角Φ 對(duì)大壩穩(wěn)定安全系數(shù)的影響大于粘聚力C。

4）Ⅱ3上區(qū)C 增大1～3 kPa 或Φ 增大1°～3°時(shí)，主壩上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范要求的1.15，壩坡不穩(wěn)定。

4 總結(jié)

計(jì)算過(guò)程中，幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)如下：

1）水位降落期工況的選?。焊鶕?jù)該水庫(kù)的防洪要求和下游灌溉供水的實(shí)際情況，本次收集了近17年（2003年至2019年）灌溉期的水位降落資料，并對(duì)水位、降落時(shí)間、降幅、平均降速及最大降速進(jìn)行整理分析，從中選取水位平均降速最大和水位降幅最大的年份作為水位降落期的最不利工況，力求所選工況能夠反映大壩實(shí)際運(yùn)行情況，更具代表性。

2）壩體土分區(qū)：由于現(xiàn)狀壩體是多年歷次填筑而成，地勘人員對(duì)壩體質(zhì)量進(jìn)行了檢查并進(jìn)行分區(qū)：共分為三個(gè)大區(qū)，每區(qū)一般分上、下兩層，共分為十個(gè)亞區(qū)，黃土臺(tái)地作為單獨(dú)一個(gè)區(qū)；并提出了各區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)。正是采用分區(qū)后的相關(guān)參數(shù)，為計(jì)算提供了較為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3）上游壩坡穩(wěn)定敏感性分析：壩體土的分區(qū)，為敏感性分析提供了可能。本次對(duì)主壩壩坡最危險(xiǎn)滑弧主要穿過(guò)的壩體Ⅱ3上、Ⅰ1上區(qū)進(jìn)行了敏感性分析，進(jìn)一步探究了兩區(qū)土力學(xué)指標(biāo)分別變化時(shí)，壩坡穩(wěn)定系數(shù)變化情況。