赤水市二郎壩水庫大壩穩(wěn)定分析

徐江燕

（遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563002）

1 工程概況

二郎壩水庫地處赤水市葫市鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址位于習(xí)水河支流沙千溝上游。水庫壩址以上流域面積3.1km2，水庫總庫容154 萬m3，校核洪水位1173.92m，正常蓄水位1173.00m，死水位1157.00m。工程以灌溉為主，并與蕨基壩水庫聯(lián)合運(yùn)行，聯(lián)合運(yùn)行時設(shè)計灌溉面積786.67hm2。

二郎壩水庫樞紐建筑物主要由大壩、泄洪建筑物、放水設(shè)施及引水設(shè)施等組成。大壩為漿砌條石雙曲拱壩，壩頂高程為1178.00m，最大壩高33.3m，壩頂軸線弧長146.0m，壩頂寬4.4m，壩底寬8.0m。壩體在頂部中段設(shè)有五孔寬6m 弓形溢流泄洪孔，堰型為實用堰，堰頂高程1173.00m。水庫放水隧洞位于庫尾山擔(dān)坳，洞長322.0m；壩身底部設(shè)有沖沙底孔，已采用漿砌石封堵；左壩腳設(shè)有管徑Φ400 放水管，管中心高程1155.00m。在水庫庫首左端設(shè)有一引水隧洞（引水增加流域面積1km2），洞長210.0m。

該工程于1984 年開始設(shè)計，1986 年3 月動工興建，1990 年10 月大壩完工，1992 年2 月工程全面完工開始蓄水。1988 年12 月大壩施工時，發(fā)現(xiàn)壩身垂直裂縫3 條，分別位于大壩左壩端、右壩端和壩體中部的下游面，裂縫自壩基開始，縫寬1~2mm，施工時作了灌漿或勾縫處理。壩體修筑到1167.00m 時，修筑曾停工3 個月，在壩體重新修筑后，由于新老壩體結(jié)合面未進(jìn)行處理，直接影響了壩體的質(zhì)量，以致壩體在高程為1167.00~1168.00m段存在滲漏。

2 壩肩地質(zhì)基本資料

2.1 地質(zhì)基本資料

1）壩區(qū)河谷地形：壩址河流流向N15°W，壩址區(qū)兩岸地形較陡，河谷形態(tài)為基本對稱形“V”形，左岸山體最高點(diǎn)高程1401.00m，右岸山體最高點(diǎn)高程1462.00m，坡角20°~35°，河床寬10~20m，巖層傾上游，偏左岸，為橫向河谷結(jié)構(gòu)。壩址區(qū)局部基巖裸露，大部覆蓋殘坡積砂質(zhì)黏土，厚約0.5~3m，大壩下游河床為人工堆積物覆蓋，厚1~10m，河床高程1148.00m。

2）地層巖性：壩址地層單一，出露白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組（K2J）及第四系（Q）地層， 主要巖性為砂巖、巖屑石英砂巖夾粉砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等。

3）地質(zhì)構(gòu)造：壩址區(qū)巖層比較平緩，產(chǎn)狀N80°E / SE ∠13°,巖層傾向上游。壩址區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂發(fā)育，為單斜巖層，巖層平緩，構(gòu)造以裂隙為主，主要有兩組：①N3°~10°W/SW∠82°～87°，為陡傾角張扭性裂隙，裂隙表面寬0.1~1.5cm，可見長1~3m，局部充填砂土及碎石，為近順河向裂隙，頻率為1.5 條/m；②N80°～89°W/SW ∠70°～82°，為陡傾角張扭性裂隙，裂面粗糙，裂隙寬0.3~0.5cm，長3~5m，無充填，為斜切河向裂隙，頻率為1 條/m。以上兩組裂隙相互切割，破壞了巖體的結(jié)構(gòu)，使本區(qū)巖體完整性較差，風(fēng)化深度大。強(qiáng)風(fēng)化深度：左岸5~7m，右岸8~13.2m，河床3~5m。

2.2 水文地質(zhì)

工程區(qū)地下水主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水，兩岸地下水受大氣降雨補(bǔ)給，地下水沿層面、裂隙排泄補(bǔ)給河水，多為潛水和上層滯水，河床及兩岸出露的地下水較少，且流量小。從勘探資料表明，兩岸地下水位普遍偏低，左岸地下水高程Zk1 為1167.20m，右岸地下水位高程Zk1為1149.54m。壩址區(qū)巖體的透水性主要與巖體的風(fēng)化完整程度和巖性有關(guān)，根據(jù)壩址鉆孔壓水試驗結(jié)果，由于砂巖、泥巖相間分布，其透水性具有不均勻特點(diǎn)，透水性有隨深度增加而逐漸降低，近地表及強(qiáng)風(fēng)化層或裂隙發(fā)育帶透水性較強(qiáng)[1]。

3 壩肩穩(wěn)定分析

3.1 拱端力系

采用反力參數(shù)法計算的基本荷載組合和特殊荷載組合時的拱端力系為計算依據(jù)。 ①基本荷載組合：正常蓄水位1173.00m 的靜水壓力與相應(yīng)下游水位 +泥沙壓力+自重+溫降。②特殊荷載組合：校核洪水位1173.92m 的靜水壓力與相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+自重+溫升。

3.2 可能滑動面分析

壩區(qū)無明顯的斷裂構(gòu)造，根據(jù)最為發(fā)育的兩條裂隙分析，大壩右壩端以N3°～10°W/SW ∠82°～87°這條裂隙來擬定側(cè)滑面；而大壩左壩端經(jīng)分析，按裂隙擬定側(cè)滑面時，其抗滑巖體體積很大，所以考慮在拱徑向方向和裂隙方向的范圍內(nèi)分別選取側(cè)滑面作拱端穩(wěn)定試算，選取最不利情況作為計算的可能滑動面，經(jīng)計算比較，擬定以N20.8°E 的方向作為側(cè)滑面方向。左、右壩肩以巖石層面作為底滑面。

3.3 壩肩穩(wěn)定計算

壩肩穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計算，根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL25-2006），采用抗剪公式進(jìn)行核算：K=∑（Nf）/∑T。按規(guī)范要求的穩(wěn)定安全系數(shù)K 值：基本組合 [K′]≥1.3；特殊組合 [K]≥1.1。計算假定壩肩以巖石層面作為底滑面，右壩肩以N3°～10°W/SW ∠82°～87°這條裂隙來擬定側(cè)滑面，左壩肩以N20.8°E 的方向作為側(cè)滑面方向。

側(cè)滑面、底滑面抗剪強(qiáng)度物理力學(xué)參數(shù)的選取，須充分考慮滲漏對地層巖性的影響，在結(jié)合檢測試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合選取物理力學(xué)參數(shù)?？辜魪?qiáng)度物理力學(xué)參數(shù)取值，見表1。

表1 抗剪強(qiáng)度物理力學(xué)參數(shù)取值表

根據(jù)工程實際情況，設(shè)計主要選取基本組合、特殊組合最不利的二種荷載組合進(jìn)行計算。經(jīng)計算，在基本組合、特殊組合情況下，大壩壩肩分層、整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，兩壩肩軟弱夾層面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)成果，見表2。

表2 壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)成果表

3.4 成果分析

經(jīng)計算分析，壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。且從大壩多年來運(yùn)行的實際情況和收集的資料看，水庫基本在設(shè)計水位下運(yùn)行，大壩壩肩至今未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，大壩運(yùn)行良好，壩肩穩(wěn)定計算成果合理。

4 壩體應(yīng)力分析

4.1 基本設(shè)計參數(shù)及荷載組合

1）基本設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 現(xiàn)狀拱圈幾何特性表

2）荷載組合：①基本荷載組合：正常蓄水位1173.00m 的靜水壓力與相應(yīng)下游水位 +泥沙壓力+自重+溫降。②特殊荷載組合：校核洪水位1173.92m 的靜水壓力與相應(yīng)下游水位 +泥沙壓力+自重+溫升。

4.2 壩體應(yīng)力計算方法及成果分析

1）計算方法：應(yīng)力分析采用《反力參數(shù)法》程序計算。

2）計算成果：從反力參數(shù)法應(yīng)力成果可知，基本荷載組合①正常蓄水位+溫降情況下，最大主壓應(yīng)力2.56MPa，發(fā)生在拱冠梁1145.00m 高程下游面；最大主拉應(yīng)力1.37MPa，發(fā)生在拱冠梁1145.00m 高程上游面。特殊荷載組合②校核洪水位+溫升情況下，最大主壓應(yīng)力2.29MPa，發(fā)生在拱冠梁1145.00m 高程下游面；最大主拉應(yīng)力1.09MPa，發(fā)生在拱冠梁1145.00m 高程上游面。通過計算，在上述二種運(yùn)行工況下，特殊荷載組合下壩體的最大主壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。在基本荷載組合下，壩體的最大主壓應(yīng)力在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，其最大主拉應(yīng)力為1.37MPa，發(fā)生在拱冠梁1145.00m 高程上游面, 該值略大于規(guī)范要求的控制拉應(yīng)力1.2 MPa，其它各層主拉應(yīng)力均小于1.2Mpa。考慮到大壩經(jīng)多年運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定異常，可認(rèn)為大壩應(yīng)力是基本符合要求的。

4.3 壩身裂縫復(fù)核及成果分析

現(xiàn)場勘察時，在壩身發(fā)現(xiàn)3 條經(jīng)勾縫或灌漿處理的垂直裂縫。根據(jù)記錄，此3 條裂縫在1988年12 月大壩在施工已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時縫寬1 ～2mm，后經(jīng)有關(guān)人員根據(jù)實際情況作出了處理。3 條裂縫的特性為：L1:位于大壩的右壩端下游面，作勾縫處理，裂縫自壩基開始，實測可見高程1162.00 ～1173.80m，壩體條石被拉斷，縫的周圍有少量滲水。L2:位于大壩壩體中部下游面，作勾縫處理，裂縫自壩基開始，實測可見高程1151.10 ～1155.70m，縫周圍無滲水。L3:位于大壩的左壩端下游面，作勾縫、灌漿處理，裂縫自壩基開始，實測可見高程1159.40 ～1173.80m，縫周圍無滲水。

由于裂縫在施工時已發(fā)現(xiàn)，本次復(fù)核采用施工期工況計算分析壩體裂縫形成的原因?；驹O(shè)計參數(shù)見表三，計算采用《反力參數(shù)法》。通過計算的應(yīng)力成果可知，在施工期情況下，最大主壓應(yīng)力2.49MPa，發(fā)生在左、右拱端1145.00m 高程上游面；最大主拉應(yīng)力1.31MPa，發(fā)生在左、右拱端1145.00m 高程下游面。從結(jié)果看，左、右拱端主壓應(yīng)力均小于砌體材料的容許壓應(yīng)力3.0Mpa，而左、右拱端1145.00m 高程下游面的主拉應(yīng)力均大于規(guī)范要求的控制拉應(yīng)力1.2 Mpa。其左、右壩端裂縫就位于最大拉應(yīng)力發(fā)生的區(qū)域，由此可見，裂縫產(chǎn)生的原因主要是壩體在施工期中由于自重、溫度等作用而產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，而壩體在施工時未留施工縫，壩體受拉而出現(xiàn)裂縫。裂縫自處理后，趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)過異常現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

在拱壩的大壩穩(wěn)定分析中，壩肩穩(wěn)定分析和壩體應(yīng)力分析是非常重要的兩項指標(biāo)，而在分析過程中，力學(xué)參數(shù)及相關(guān)系數(shù)的取值是否合理，直接影響到分析計算的科學(xué)性。本次壩肩穩(wěn)定分析、壩體應(yīng)力分析的復(fù)核計算，充分考慮工程地質(zhì)、工程特性及大壩施工期存在的具體問題，結(jié)合相關(guān)檢測試驗資料及規(guī)程規(guī)范，通過工程類比，合理分析選取力學(xué)參數(shù)及相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算分析，對大壩穩(wěn)定作出了科學(xué)評價。同時，二郎壩水庫建成至今已近40 年，多年來均按設(shè)計水位運(yùn)行，水庫運(yùn)行狀況良好，大壩壩肩及壩體穩(wěn)定。