门楼水库主坝结构稳定分析

王志涛，汤寿江，周克发

(1.门楼水库管理局，山东烟台264000；2.南京水利科学研究院，江苏南京210029）

1 工程概况

门楼水库位于山东省烟台市大沽夹河西支流内夹河（又名清洋河）下游，距福山城区11 km，控制流域面积1079 km2，总库容2.32亿m3，兴利库容1.264亿m3，死库容0.1亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼有供水、养殖等综合利用的大（2）型水库。工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。水库枢纽工程包括主坝、副坝、溢洪道、东放水洞、西放水洞。2007年安全鉴定，按国家现行GB50201-94《防洪标准》，水库设计洪水标准为重现期100年，校核洪水标准为重现期10000年。水库正常蓄水位为30.68 m，设计洪水位31.55 m，校核洪水位34.60 m，死水位20.50 m。主坝为粘土心墙砂壳坝，坝顶长1440 m，坝顶高程37.10 m，最大坝高23.22 m，粘土心墙顶高程为36.70 m。主坝桩号0+139.6～0+852.4段混凝土防渗墙位于下游坝坡，墙体中心线距离坝顶中心线11.78 m，墙厚0.8 m，嵌入基岩深度1～2.2 m。主坝最大坝高断面见图1。

2 主坝坝体工程质量综述

主坝先后于1979年和1994年进行了地勘试验，现将其综合如下。

（1）心墙

图1 主坝0+350断面图（单位：m）Fig.1 Cross section of main dam 0+350

心墙土料主要为粉质粘土，部分地段夹有粘土，呈土黄～土褐色，含少量碎石及粗砂颗粒。主要物理力学指标平均值：桩号0+000～0+571段，含水率21.14%，干密度1.68 g/cm3，孔隙比0.621，饱和度93.38%；0+571～1+440段，含水率20.94%，干密度1.70 g/cm3，孔隙比0.608，饱和度93.65%。心墙土料平均贯入击数17.7击，渗透系数为1.1×10-6～1.98×10-6cm/s，满足规范“心墙和斜墙不大于1×10-5cm/s”的要求，粘土心墙质量较好。1986年上部防渗体施工时，粘土心墙填筑干密度为1.69 g/cm3，渗透系数为1.98×10-6cm/s；上游壤土防渗体干密度1.65 g/cm3，渗透系数为3.2×10-5cm/s。渗透系数也满足规范要求。假设心墙粘土最大干密度按1.70 g/cm3计，则心墙压实度为98.8%；防渗壤土按1.68 g/cm3计，则压实度为98.2%。防渗体压实度满足规范要求。从主坝的总体沉降变形也可看出，坝体本身的填筑压实度高，沉降量较小。

（2）砂壳

砂壳主要为砾质中、粗砂和细砂，质纯、分选性差，主要成分为长石、石英。上游坡主要为细砂，部分为含砾中粗砂，标贯击数平均值约13.5击，相对密度0.47，属中等紧密状态。下游坡则均为砾质中、粗砂，平均贯入击数12击，相对密度0.49，属中等紧密状态。坝壳砂料的相对密度指标低，不满足规范“不应低于0.70”的强制性条文要求。

3 主坝变形评述

变形观测资料已散失。仅三查三定资料中有部分描述，坝体沉降规律符合土石坝一般沉降规律，前期沉降速率大、沉降量大，后期沉降速率变缓、沉降速率小。大坝建成至1964年设立变形测点前，主坝最大累计沉降150 mm；自1964年8月开始沉降观测至1975年，主坝累计观测最大沉降量约104 mm，位于河床处坝顶，该处为坝体合龙处，同时在合龙时采用了水中倒土施工，故沉降量相对较大。假设此前的150 mm累计沉降也发生于该断面，则该处坝顶此时的沉降率约为0.7%，沉降率相对较低，也反映了主坝填筑质量较好。从随时间的沉降增量看，以主坝原22号点为例，1964～1965年为34 mm，1965～1966年为12 mm，1966～1967年为5 mm，1967～1973年为23 mm，1973～1974年、1974～1975年均为0 mm，可见主坝沉降在1980年以前已经基本稳定，这也反映出坝体填筑质量相对较好、坝基基本无大的可压缩性土层。

4 主坝坝坡抗滑稳定分析

4.1 计算断面与参数

选择主坝0+350断面作为抗滑稳定计算分析断面。主坝0+350计算断面的坝体土料简化成6个区：上游坡砂壳、下游坡砂壳、坝体壤土、心墙粘土、坝基砂砾石和压重石渣。主坝0+350断面的各土层物理、力学参数基于1979年主坝0+170断面和0+280断面地勘资料选取，同时参考1996年加固设计中主坝坡稳定计算参数，坝坡稳定分析输入参数见表1。

4.2 计算方法与工况

计算方法采用计及条块间力的简化毕肖普法[1]，选择圆弧型滑裂面进行分析。根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》，门楼水库坝址工程区地震动峰值加速度为0.10 g，地震动反应谱特征周期值为0.40 s，相应的地震基本烈度为7度。根据现状运行情况及规范，本次对主坝上、下游坡进行了静力及抗震稳定计算分析，地震荷载按拟静力法确定。由于没有动力强度指标，抗震稳定计算参数近似取静力计算指标值。计算程序为中国水利水电科学研究院开发的STAB95稳定分析软件。根据水库具体情况及规范要求，主要分析正常运用、非常运用I、非常运用Ⅱ下的主坝上、下游坡抗滑稳定性，具体计算工况见表2。

表1 大坝稳定分析选用物理力学指标表Table 1:Physical-mechanical properties of the material in calculation

4.3 孔隙水压力确定

稳定渗流期的坝体内部孔隙水压力根据2007年5月大坝安全鉴定主坝渗流计算分析结果[2]并结合地勘[3]综合确定；库水位降落期的坝体内部孔隙水压力根据规范采用近似方法确定。主坝上游坡为砂壳，库水位骤降后，假设坝壳内的孔隙水压力迅速消散。抗震稳定计算中，孔隙水压力的确定与静力稳定分析相同。

表2 抗滑稳定计算安全系数成果表Table 2:Safety coefficients for structural stability against sliding

4.4 计算结果分析

根据规范[1]要求，对2级建筑物采用简化毕肖普法分析时：正常运用条件下，坝坡抗滑稳定安全系数应不小于1.35；非常运用条件I下，坝坡抗滑稳定安全系数应不小于1.25；非常运用条件Ⅱ下，坝坡抗滑稳定安全系数应不小于1.25。对上游坡水位降落情况，当同时采用总应力法与有效应力法进行分析时，应以较小的安全系数作为依据。

稳定计算结果见表2。由表2可见，除下游坡在设计洪水位正常运用条件下的静力抗滑稳定安全系数1.333稍小于规范要求值1.35外，主坝上、下游坝坡在其他计算工况中的抗滑稳定安全系数均大于规范要求值，可以认为主坝抗滑稳定安全基本满足规范要求。

5 液化分析

5.1 坝基覆盖层

主坝坝基覆盖层主要为第四纪砂砾层，厚3～12 m，需要对处于饱和状态的砂砾层进行可液化判别。根据地勘试验成果[3]，该层试样室内试验平均贯入击数21击，属较紧密状态，平均相对密度为85%。根据规范，采用相对密度法进行判别，在7度地震设防烈度条件下，当相对密度大于70%时，可判别为不可能液化土。因此，坝基第四纪砂砾层覆盖层可判别为不可能液化土。

5.2 坝壳砂砾料

对处于上游坝壳的砂砾料，根据地勘[3]，其标贯击数平均值约13.5击，属中等紧密状态，相对密度为47%，低于规范要求的70%，故判为可能液化土。

6 其它结构安全问题

6.1 坝顶宽度复核

目前主坝坝顶宽10.5～13.1 m，满足规范要求。

6.2 上游护坡稳定性评述

根据运行及现场检查，主坝上游护坡块石尺寸偏小，护坡松动、塌陷较严重，护坡垫层反滤砂石多数流失。上游护坡不能长期安全可靠运行。

6.3 近坝库岸稳定性评述

近坝库岸运行至今基本稳定，无较大滑坡、崩塌等地质灾害发生，近坝库岸基本稳定。

7 结语和建议

综上所述，目前主坝沉降已基本稳定，坝坡抗滑稳定安全基本满足规范要求，坝顶宽度满足规范要求，近坝库岸基本稳定，但上游护坡存在凹陷、填筑质量差，且上游坝壳砂砾料为可能液化土，存在地震液化的可能。建议针对可能液化土进行处理，修复上游护坡，并完善大坝变形观测，加强大坝安全管理，保障大坝工程安全。■

[1]中华人民共和国水利部.SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,2002.

[2]南京水利科学研究院.山东省烟台市门楼水库大坝渗流安全分析评价[R].2007.

[3]烟台市水利建筑勘察设计院.山东省烟台市门楼水库大坝安全鉴定工程地质勘察报告[R].2007.