板桥水库主坝结构安全分析

周克发，张士辰

（南京水利科学研究院大坝安全与管理研究所，江苏南京 210029）

1 工程概况

板桥水库位于河南省驻马店市泌阳县板桥镇境内的淮河支流汝河上游，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电和养殖等综合利用的大（2）型水库，总库容6.75亿m3。该水库始建于1951～1952年，1956年加固及扩建。1975年8月，水库漫顶溃坝，导致原河床部位形成一上部宽约370 m、下部宽约210 m的溃口。1978～1992年在原坝址对溃坝残留工程进行了复建。2008年大坝安全鉴定，洪水复核[1]按重现期100 a洪水标准设计，设计洪水位117.76 m；按重现期5 000 a洪水标准校核，校核洪水位118.92 m；按重现期10 000 a洪水保坝，保坝水位119.63 m。挡水建筑物包括北主坝、南主坝、北副坝、南副坝、南岸原副溢洪道堵坝、秣马沟副坝、混凝土溢流坝等。大坝全长3 720 m，其中主坝2 300 m，副坝1 420 m。

主坝为粘土心墙砂壳坝，由南主坝和北主坝组成，坝顶宽8.0 m。上游坝坡复建工程中加高部分坡比为1∶2.5，接原残留坝坡1∶2.6、1∶3.0，采用干砌块石护坡；下游坝坡坡比为1∶2.0或1∶2.5或1∶3.5，设50 cm厚的草皮护坡；下游坝脚处设碎石贴坡排水。上游坝壳砾质粗砂与干砌块石护坡之间设有两层各20cm厚的反滤保护层，第一层粒径0.5～2.0 cm，第二层粒径2.0～8.0 cm；下游坝体或坝基土与碎石贴坡排水之间设两层各厚25 cm的反滤保护层，第一层粒径0.5～2.0 cm，第二层粒径2.0～8.0 cm，与上游反滤料类型相同。

2 主坝运行中出现的问题和处理情况

1995年1月5日，南主坝的南裹头护坡滑塌。1995年11月8日，南主坝护坡水毁；2000年12月13日，南北主坝护坡水毁塌陷。1995～1997年利用100号水泥砂浆对复建新砌干砌块石护坡105.00～110.00 m高程范围进行表面粘结；2001年利用200号细石混凝土对110.00～115.30 m高程范围内复建新砌的干砌块石护坡进行灌缝粘结[2]。目前，主坝无结构失稳情况，坝体变形较稳定，坝顶及防浪墙无明显裂缝；各种排水、导渗设施无断裂、损坏、阻塞、失效现象，排水畅通；护坡整体砌块完好，砌缝紧密，未见大面积松动、塌陷、脱落、风化、冻毁、架空现象[3]。

3 主坝变形评述

主坝仅北主坝设有变形监测设施。水平位移因观测仪器精度低，已停测；竖向位移每年4月和10月各观测一次，观测资料序列为1992年4月～2008年10月。

3.1 竖向位移评述

经对竖向位移观测资料进行分析[4]，北主坝竖向位移有以下变化规律。

（1）坝顶在1991年底主体工程竣工后的4 a内沉降较快，尤其是原导流明渠部位新回填的坝体（桩号0+800～1+200）沉降稍大，年沉降速率9.1～12.2 mm/a。北台地（桩号0+100～0+800）复建工程是在残留粘土心墙削坡加高、培厚形成的，新填坝体部分仅高约10 m，北台地坝段沉降量相对较小，沉降速率1.1～6.6 mm/a。

1995年底以后，导流明渠新填坝段坝体沉降速率略大，沉降速率1.0～3.7 mm/a，最大累计沉降量约161.73 mm（发生在桩号1+199.80处），其值在设计允许范围（20 cm）内，沉降现呈收敛状态发展。北台地土坝坝顶沉降速率较小，沉降速率一般为0.9～0.2 mm/a，目前沉降变化趋于稳定，最大累计沉降量约123.4 mm（发生在0+800坝顶处）。

另外，2001年坝顶沉降点出现台阶性跃变，原因是所引据的水准基点遭破坏，后对1号工作基点进行校核，基点高程发生变化，导致累计沉降量增大。

（2）北台地坝顶沉降与地形轮廓线较一致。桩号0+800～1+200坝段坝顶沉降量较大，主要与其坝身较高及原导流明渠段为新填坝体有关。桩号1+200～1+311.47坝段沉降量较小，主要与该坝段测点位于北裹头附近、坝体内多为混凝土刺墙结构有关。其它坝顶测点沉降量变化平缓。

3.2 坝顶纵向倾度评述

根据测点沉降量估算坝顶纵向倾度，计算成果[4]见表1。1992年4月～2008年10月沉降发展过程中，测点间倾度较小，最大值0.157%，依据工程经验，坝顶发生横向裂缝可能性不大。

4 主坝结构抗滑稳定分析

4.1 计算断面与参数

选择北主坝0+800断面、1+000断面（导流明渠）以及南主坝1+580断面作为抗滑稳定计算分析断面。计算简图见图1。

计算指标参数主要根据1951～1952年初建、1954年裂缝检查、1978～1992年复建三期工程地勘资料及施工中坝体取样试验资料[5]，并参考相关设计资料、各分区填筑质量及其它类似工程经验，综合确定。坝坡稳定分析输入参数见表2。

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[6]，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》，板桥水库坝址工程区地震动峰值加速度为0.05 g，相应的地震基本烈度为6度。按规范要求，主坝不需进行抗震安全复核。根据现状运行情况及规范，本次对主坝上、下游坡进行了抗滑稳定计算分析。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情况下的主坝上、下游坡抗滑稳定性，具体计算工况见表3。

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主坝渗流计算分析结果[7]并结合监测资料分析[4]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。

4.4 计算结果分析

表1 主坝顶纵向倾度计算成果Table1:Calculation result of longitudinal inclination of main dam crest

图1 主坝计算简图Fig.1 Main dam cross sections

表2 稳定分析选用物理力学指标表Table 2:Physical-mechanical properties of the material in calculation

表3 主坝抗滑稳定计算安全系数成果Table 3:Safety coefficients for structural stability computation against sliding

根据规范[6]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。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。

抗滑稳定计算结果见表3。由表3可见，主坝在正常运用条件及非常运用工况I条件下，坝坡静力抗滑稳定安全系数均大于规范要求值。因此，主坝抗滑稳定满足规范要求。

5 其他结构安全问题

5.1 坝顶宽度和超高复核

南主坝、北主坝坝顶宽度8.0 m，满足规范[6]中对低坝坝顶宽度5.0～10.0 m的规定。根据防洪复核，现状坝顶超高满足防洪安全要求；防渗心墙顶设有防浪墙，且正常蓄水位低于心墙顶高程，现状防渗体顶超高满足防洪安全要求。

5.2 护坡稳定性评价

北主坝、南主坝上游坡均采用干砌石护坡，下游坝段主要采用草皮护坡。运行过程中，南、北主坝曾因护坡厚度不足，出现护坡水毁和滑塌的情况，采用水泥砂浆表面粘结或细石混凝土灌缝粘结的方式加固处理。从运行情况看，近期运行情况良好；从此次现场检查情况看，护坡外观完整、无明显破损情况。

6 结论和建议

综上所述，目前主坝运行状态良好，坝体沉降已基本稳定，坝体产生裂缝的可能性较小；坝坡抗滑稳定安全基本满足规范要求；坝顶宽度和超高满足规范要求，护坡稳定性良好。建议继续加强对主坝的监测和检查，及时对观测资料进行整编分析，加强安全管理，保障主坝工程安全。

[1]南京水利科学研究院.板桥水库洪水复核和防洪安全评价报告[R].2008.

[2]驻马店市板桥水库管理局.驻马店市板桥水库大坝运行管理报告[R].2008.

[3]板桥水库现场安全检查专家组.河南省驻马店市板桥水库现场安全检查报告[R].2008.

[4]南京水利科学研究院.驻马店市板桥水库大坝安全监测资料分析报告[R].2008.

[5]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.

[6]南京水利科学研究院.河南省驻马店市板桥水库大坝工程质量安全评价报告[R].2008.

[7]南京水利科学研究院.河南省驻马店市板桥水库土坝渗流、结构稳定分析报告[R].2008.