規(guī)范修訂對(duì)土石壩安全評(píng)價(jià)復(fù)核計(jì)算的影響

郝 潔，李 軍，賈海磊，潘文明

（水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京，210000）

0 引言

《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》（水建管〔2003〕271號(hào)）由水利部修訂頒布，2003年8月1日起施行。大壩安全評(píng)價(jià)包括工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、大壩運(yùn)行管理評(píng)價(jià)、防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、大壩結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定評(píng)價(jià)、滲流安全評(píng)價(jià)、抗震安全復(fù)核、金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)和大壩安全綜合評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面。根據(jù)《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》要求，“大壩實(shí)行定期安全鑒定制度，首次安全鑒定應(yīng)在竣工驗(yàn)收后5年內(nèi)進(jìn)行，以后應(yīng)每隔6～10年進(jìn)行一次”。大壩安全鑒定根據(jù)SL 258—2017《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[1]進(jìn)行。近年來(lái)，有很多2000年后建成或完成除險(xiǎn)加固的大壩進(jìn)行了安全鑒定，即使水庫(kù)大壩建設(shè)時(shí)各項(xiàng)參數(shù)均符合當(dāng)時(shí)的規(guī)范要求，復(fù)核結(jié)果也可能與原設(shè)計(jì)階段不同。在不考慮基礎(chǔ)資料更新的情況下，復(fù)核結(jié)果的不同主要源于設(shè)計(jì)階段和鑒定階段參照規(guī)范的變化。

水利規(guī)范的修訂是在總結(jié)成熟的工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上完善規(guī)范內(nèi)容，并引進(jìn)一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和計(jì)算方法，但在實(shí)施過(guò)程中還需要分析規(guī)范的更新對(duì)安全評(píng)價(jià)的影響。宋恩來(lái)[2]對(duì)《水電站大壩安全管理辦法》在修訂和執(zhí)行過(guò)程中遇到的洪水調(diào)度、壩頂防浪墻等問(wèn)題進(jìn)行了探討；李昱蓉等[3]對(duì)《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)敘述和解讀。筆者針對(duì)中小型土石壩安全鑒定中有關(guān)規(guī)范修訂涉及的復(fù)核內(nèi)容進(jìn)行新舊規(guī)范的對(duì)比分析。

1 土石壩安全評(píng)價(jià)主要復(fù)核計(jì)算內(nèi)容

土石壩安全評(píng)價(jià)主要復(fù)核計(jì)算內(nèi)容根據(jù)SL 258—2017《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》進(jìn)行確定。

1.1 防洪能力復(fù)核

在防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核方面，對(duì)比SL 252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[4]和SL 252—2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[5]，水庫(kù)大壩工程規(guī)模和工程等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)未變。

設(shè)計(jì)洪水復(fù)核及調(diào)洪計(jì)算有固定計(jì)算方法，與規(guī)范更新無(wú)關(guān)。

大壩抗洪能力復(fù)核方面，對(duì)比SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]和SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]、SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[8]和SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，土石壩壩高計(jì)算方法和參數(shù)取值規(guī)定沒(méi)有變化；對(duì)比SL 253—2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]和SL 253—2018《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，溢洪道的泄流能力計(jì)算方法有所更新。

1.2 滲流安全復(fù)核

根據(jù)修訂前后的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，滲流穩(wěn)定計(jì)算有一些區(qū)別；對(duì)比GB 50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[12]與GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[13]，滲透變形有所更新，將在下文進(jìn)行說(shuō)明。

1.3 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

土石壩結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算方面，依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，新規(guī)范規(guī)定了壩坡穩(wěn)定計(jì)算典型斷面的選擇要求，其他計(jì)算方法無(wú)明顯區(qū)別。

在《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂前后版本中，溢洪道穩(wěn)定性復(fù)核方法無(wú)明顯更新。

1.4 抗震穩(wěn)定復(fù)核

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂前后的版本，抗震穩(wěn)定計(jì)算方法有所更新，將在下文說(shuō)明。

1.5 金屬結(jié)構(gòu)復(fù)核

根據(jù)SL 258—2017《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》11.1.3條文說(shuō)明，對(duì)中小型水庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的金屬結(jié)構(gòu)，可以綜合現(xiàn)場(chǎng)檢查和安全檢測(cè)結(jié)果直接對(duì)安全性做出評(píng)價(jià)。據(jù)此，不對(duì)土石壩的金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行分析。

1.6 規(guī)范更新范圍

綜上所述，規(guī)范更新對(duì)土石壩安全評(píng)價(jià)復(fù)核計(jì)算的影響主要涉及泄流能力復(fù)核、滲流安全復(fù)核和抗震穩(wěn)定復(fù)核三方面，下文將針對(duì)這三方面的規(guī)范更新對(duì)安全鑒定的影響進(jìn)行分析。

2 泄流能力復(fù)核

土石壩的泄流建筑物多為自由出流寬頂堰，可根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。2018年以前采用SL 253—2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，2018年以后采用SL 253—2018《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2.1 泄流能力對(duì)比分析

2018年新版規(guī)范和2000年老版規(guī)范相比，主要針對(duì)寬頂堰對(duì)側(cè)收縮系數(shù)專(zhuān)門(mén)作出規(guī)定，并增加考慮了上游引渠寬度對(duì)側(cè)收縮系數(shù)的影響。由于從公式中無(wú)法直觀看出變化規(guī)律，現(xiàn)利用案例進(jìn)行兩個(gè)版本規(guī)范計(jì)算結(jié)果的對(duì)比和說(shuō)明。

（1）某三孔溢洪閘，每孔凈寬2.5 m，平底溢洪閘閘門(mén)全開(kāi)非淹沒(méi)出流，同樣情況下，根據(jù)新老規(guī)范計(jì)算泄流能力見(jiàn)圖1。

圖1 某三孔溢洪閘泄流能力Fig.1 The discharge capacity of a three-hole spill gate

（2）某雙孔溢洪閘，每孔凈寬5 m，平底溢洪閘閘門(mén)全開(kāi)非淹沒(méi)出流，同樣情況下，根據(jù)新老規(guī)范計(jì)算泄流能力見(jiàn)圖2。

圖2 某雙孔溢洪閘泄流能力Fig.2 The discharge capacity of a two-hole spill gate

（3）某單孔、凈寬7 m、平底溢洪閘閘門(mén)全開(kāi)非淹沒(méi)出流，同樣情況下，根據(jù)新老規(guī)范計(jì)算泄流能力見(jiàn)圖3。

（4）某單孔、凈寬3 m、平底溢洪閘全開(kāi)非淹沒(méi)出流，同樣情況下，根據(jù)新老規(guī)范計(jì)算泄流能力見(jiàn)圖4。

圖4 某單孔凈寬3 m溢洪閘泄流能力Fig.4 The discharge capacity of a single-hole spillgate with a net width of 3 m

由圖1~2可知，在引渠寬度不大于閘孔總凈寬1.5倍時(shí)，同水位下，新規(guī)范計(jì)算多孔寬頂堰泄流能力均較老規(guī)范大。由圖3~4可知，引渠1.5倍閘孔總凈寬時(shí)，新規(guī)范計(jì)算單孔寬頂堰泄流量與老規(guī)范結(jié)果基本一致；引渠1倍閘孔總凈寬時(shí)，新規(guī)范泄流量大于老規(guī)范計(jì)算值。

圖3 某單孔凈寬7 m溢洪閘泄流能力Fig.3 The discharge capacity of a single-hole spill gate with a net width of 7 m

綜上所述，在引渠寬度不大于閘孔總凈寬1.5倍時(shí)，新規(guī)范計(jì)算寬頂堰平底閘過(guò)流能力較老規(guī)范偏大或基本一致，故在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不變的情況下進(jìn)行調(diào)洪，平底閘在閘門(mén)全開(kāi)時(shí)設(shè)計(jì)及校核水位一般會(huì)有所降低或保持一致。在此情況下，考慮到原設(shè)計(jì)經(jīng)審批且數(shù)據(jù)偏保守，依舊建議采用原設(shè)計(jì)及校核水位作為水庫(kù)特征水位。

2.2 對(duì)壩頂超高的影響

大中型水庫(kù)根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，小型水庫(kù)根據(jù)SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，在不同時(shí)期的規(guī)范中，土石壩壩高計(jì)算方法和參數(shù)取值規(guī)定沒(méi)有變化，由于特征水位一般沒(méi)有改變，根據(jù)老規(guī)范設(shè)計(jì)的壩頂高程在安全評(píng)價(jià)時(shí)依舊符合規(guī)范要求。

3 滲流穩(wěn)定復(fù)核

土石壩滲流穩(wěn)定復(fù)核主要依據(jù)規(guī)范：大中型水庫(kù)根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，小型水庫(kù)根據(jù)SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》。

滲透變形判別的主要依據(jù)為GB 50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》。

3.1 滲流穩(wěn)定對(duì)比分析

SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.2穩(wěn)定滲流計(jì)算相對(duì)SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》增加了設(shè)計(jì)及校核洪水位的復(fù)核，主要為抗滑穩(wěn)定復(fù)核提供依據(jù)。

SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》僅要求對(duì)1、2級(jí)壩及高壩滲流計(jì)算采用數(shù)值法，其他情況可采用公式法，而2020版規(guī)范規(guī)定滲流計(jì)算均采用數(shù)值法進(jìn)行，并確定了滲流計(jì)算幾何模型的要求，即滲流模型的邊界選取及分區(qū)的精準(zhǔn)性。

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂后可能造成計(jì)算水力比降和浸潤(rùn)線有所改變，但會(huì)比原規(guī)范結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

3.2 滲透穩(wěn)定性判別對(duì)比分析

GB 50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中用細(xì)粒含量判斷土的滲透變形為管涌或流土，由于該項(xiàng)存在一定的不確定性，在2008版規(guī)范中進(jìn)行了刪除。

流土的滲透坡降計(jì)算公式在2008年版規(guī)范中無(wú)更改，采用公式為2008版規(guī)范G.0.6-1（即99版規(guī)范M.0.3-1）：

式中，J cr為臨界水力比降；G s為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率。

2008版規(guī)范條文說(shuō)明中注明了流土的滲透坡降計(jì)算公式不適用于黏性土，但在2008年以前的設(shè)計(jì)報(bào)告中，黏性土的臨界水力比降多采用上述公式，該公式計(jì)算臨界水力比降較小，當(dāng)安全系數(shù)為2時(shí)，允許水力比降一般不大于0.5。

目前在實(shí)際安全評(píng)價(jià)中，黏性土的滲透坡降推薦采用劉杰提出的計(jì)算公式[14]，臨界水力比降為：

式中，C為土的抗?jié)B凝聚力（kPa），根據(jù)液限進(jìn)行取值。

對(duì)比規(guī)范中流土滲透坡降公式與劉杰的黏性土滲透坡降公式可知，劉杰的公式后項(xiàng)已大于規(guī)范公式，且劉杰的公式在計(jì)算中尚需加上抗?jié)B凝聚力，故計(jì)算結(jié)果必然大于規(guī)范流土公式。

根據(jù)劉杰的《土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)》，該式計(jì)算一般黏性土抗?jié)B強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 一般黏性土的抗?jié)B強(qiáng)度Table 1 The anti-permeability strength of common clay soil

2008版規(guī)范中未推薦使用劉杰的公式計(jì)算黏性土的臨界水力比降，一方面可能是由于黏性土的臨界水力比降一般大于非黏性土，若已滿足非黏性土的臨界水力比降，則黏性土情況是安全的；另一方面，GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》并非專(zhuān)用于水利設(shè)計(jì)的規(guī)范，根據(jù)不同行業(yè)情況和地勘的深度，黏性土的臨界水力比降公式會(huì)由于參數(shù)的可獲取性有所區(qū)別。

土石壩安全鑒定中，劉杰的公式所需參數(shù)在水庫(kù)大壩地質(zhì)勘察中均可獲取，適宜用于土石壩的滲流穩(wěn)定分析，且規(guī)范中已明確說(shuō)明G.0.6-1公式不適用于黏性土，若依舊使用該公式計(jì)算臨界水力比降確實(shí)不合適。故筆者認(rèn)為，可以使用劉杰的公式作為黏性土水力比降的計(jì)算方法。

故黏性土的允許水力比降在安全評(píng)價(jià)中會(huì)有明顯增加，即使考慮計(jì)算方法改為數(shù)值法，復(fù)核計(jì)算時(shí)一般也沒(méi)有安全性的問(wèn)題，而非黏性土的水力比降計(jì)算，根據(jù)規(guī)范更新，沒(méi)有明顯區(qū)別。

3.3 對(duì)抗滑穩(wěn)定的影響

土石壩的穩(wěn)定計(jì)算在滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)浸潤(rùn)線變化，抗滑穩(wěn)定系數(shù)和原設(shè)計(jì)一般有所區(qū)別。通常情況下，原設(shè)計(jì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都有較大的余裕，在安全評(píng)價(jià)復(fù)核中一般不會(huì)發(fā)生抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不足的情況。

4 抗震穩(wěn)定性計(jì)算

土石壩抗震穩(wěn)定復(fù)核主要依據(jù)規(guī)范：SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定抗震穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)按SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]執(zhí)行；SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定抗震穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)按GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]執(zhí)行。

4.1 抗震穩(wěn)定計(jì)算方法對(duì)比

根據(jù)SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用擬靜力法進(jìn)行抗震穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，對(duì)于均質(zhì)壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，可采用瑞典圓弧法進(jìn)行；根據(jù)GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，土石壩抗震穩(wěn)定計(jì)算改為宜采用基于計(jì)及條間作用力的劃弧法。原因在《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》8.3.15~8.3.18條文說(shuō)明中闡釋?zhuān)鸬鋱A弧法計(jì)算簡(jiǎn)單，便于手算，但結(jié)果往往失真，目前工程設(shè)計(jì)幾乎都采用計(jì)算軟件完成，能快捷獲得計(jì)及條間作用的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。該項(xiàng)規(guī)范更新增加了抗滑穩(wěn)定計(jì)算的可靠性，在實(shí)際安全鑒定中，復(fù)核抗滑穩(wěn)定系數(shù)一般都滿足規(guī)范要求。

4.2 壓實(shí)度參數(shù)對(duì)比

根據(jù)SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于無(wú)黏性土壓實(shí)，浸潤(rùn)線以下材料的相對(duì)密度根據(jù)設(shè)計(jì)烈度大小，選用0.75~0.85。在GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，規(guī)定浸潤(rùn)線以下材料的相對(duì)密度不應(yīng)低于0.80。

該條目更改了對(duì)浸潤(rùn)線以下無(wú)黏性土壓實(shí)度的要求，但一般情況，設(shè)計(jì)時(shí)都已經(jīng)考慮一定的富余，且經(jīng)過(guò)數(shù)年的時(shí)間，填土的壓實(shí)度一般都會(huì)有所增加，在安全鑒定中一般能滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

規(guī)范修訂在總結(jié)成熟工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完善了規(guī)范內(nèi)容，引進(jìn)一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和計(jì)算方法，為土石壩安全鑒定提供科學(xué)依據(jù)。

（1）大壩安全鑒定的復(fù)核工作不是對(duì)原設(shè)計(jì)的重復(fù)復(fù)核，需要根據(jù)基礎(chǔ)資料的更新、工程改建及規(guī)范更新對(duì)現(xiàn)有工程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）對(duì)于土石壩安全鑒定，2000年后設(shè)計(jì)或除險(xiǎn)加固的工程參數(shù)，若不考慮基礎(chǔ)資料的更新和工程改建情況，規(guī)范的更新主要影響泄流能力復(fù)核、滲流穩(wěn)定復(fù)核及抗震穩(wěn)定復(fù)核。

（3）泄流能力復(fù)核計(jì)算寬頂堰平底閘過(guò)流能力較原規(guī)范偏大或基本一致，據(jù)此復(fù)核特征水位較設(shè)計(jì)偏小，考慮到原設(shè)計(jì)經(jīng)審批且數(shù)據(jù)偏保守，依舊建議采用原設(shè)計(jì)及校核水位作為水庫(kù)特征水位。根據(jù)老規(guī)范設(shè)計(jì)的壩頂高程在安全評(píng)價(jià)時(shí)依舊符合規(guī)范要求。

（4）滲流穩(wěn)定復(fù)核中，黏性土允許水力比降在安全評(píng)價(jià)中會(huì)有明顯增加，即使考慮計(jì)算方法改為數(shù)值法，復(fù)核計(jì)算時(shí)一般也沒(méi)有安全性的問(wèn)題。

（5）抗震穩(wěn)定復(fù)核時(shí)，建議計(jì)算方法由瑞典條分法改為簡(jiǎn)化畢肖普法，更為準(zhǔn)確；更改了對(duì)浸潤(rùn)線以下無(wú)黏性土壓實(shí)度的要求。在復(fù)核時(shí)一般都能滿足規(guī)范要求。

綜上所述，主要的規(guī)范更新內(nèi)容幾乎不會(huì)造成原設(shè)計(jì)參數(shù)不符合現(xiàn)行規(guī)范的情況，但部分計(jì)算方法和參數(shù)選取在安全鑒定中需要注意與原設(shè)計(jì)的差異。