BLKQY水库大坝结构安全分析与评价

陆 杨

（新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

BLKQY水库座落于新疆喀什地区叶城县加依提勒克乡7村东部，距县城约12.0 km。水库始建于1958年，正常蓄水位1300.5 m，相应库容为295万m3，是一座以灌溉为主的注入式平原水库，工程等别为Ⅳ级，工程规模为小型(I)等工程。该水库大坝为均质土坝，总长1503.175 m，设计坝顶宽4.0 m，坝顶高程1302 m，最大坝高9.6 m。水库大坝由于建设年代较早，且没有正规的实际施工资料，工程设计标准较低。于2009年7月进行除险加固，针对于坝顶安全超高和坝顶宽度不足的坝段进行加高、加宽处理；对坝体和坝基采取防渗措施，以减小大坝渗漏、延长渗径，保证坝体、坝基的渗透稳定性。本文针对水库除险加固后大坝结构安全进行分析与评价。

1 大坝坝顶超高复核

1.1 计算公式

BLKQY水库工程等别为Ⅳ级，大坝等主要建筑物为4级，正常蓄水位1300.50 m，库区多年平均最大风速为11.96 m/s，根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）中的莆田试验站公式计算的平均波高和平均波周期：

式中：hm为平均波高，m；Tm为平均波周期，m/s；W为计算风速，m/s；D 为风区长度，m；Hm为水域平均水深，m；g取9.81 m/s2。设计情况采用多年平均最大风速1.5倍，即17.94 m/s，校核情况采用多年平均最大风速，风速修正系数取1.0[1]。

1.2 坝顶超高计算

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）的规定，坝顶超高值按下式计算：

式中：Y为坝顶超高，m；R为波浪爬高，m；A为安全加高，m。

本工程大坝级别为4级，正常运用情况A＝0.5 m；非常运用情况A＝0.3 m。

设计波浪爬高值根据工程等级确定，本工程大坝级别为4级采用累积频率为5%的爬高值R5%[1]。

地震涌浪高度可根据设计烈度和坝前水深，本工程地震基本烈度为7度，最大坝高6.0 m，根据规范取地震涌浪超高的小值0.5 m。BLKQY水库地震烈度为7度，最大坝高仅为9.6 m，地震坝顶沉陷取0.1 m。

综上所述，地震安全超高=地震涌浪高度+地震坝顶沉陷=0.6 m。

由于该水库为无防洪要求的引水注入式平原水库，故不存在设计洪水位和校核洪水位，本次坝顶超高复核的计算工况取两种[2]：

工况1：正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高；

工况2：正常蓄水位加非常运用条件下的超高，再加地震安全加高。

BLKQY水库坝顶安全高程计算值见表1。

表1 叶城县BLKQY水库坝顶安全高程计算表

根据计算，确定坝顶高程为1301.988 m。大坝现状整体设计高程为1302.000 m，满足设计及规范要求。

2 大坝抗滑稳定分析

2.1 计算断面

坝坡静力抗滑稳定计算断面选取大坝最大断面西0+300断面进行计算。计算断面可简化成3个区：①坝基覆盖层；②除险加固前坝体填筑土料；③除险加固后培厚加高坝体填筑土料。

大坝坝坡抗滑稳定计算简图见图1。

图1 大坝坝坡抗滑稳定计算简图

2.2 计算方法和原理

采用北京中国水利水电科学研究院出版的《土质边坡稳定分析程序》（STAB简化版Version2005）进行计算[3]。计算方法采用简化毕肖普法，地震情况采用拟静力法。计算原理为极限平衡分析方法，用总应力法和有效应力法分析圆弧滑裂面时，都假定：

1）土坝坝体内只有垂直应力，此力等于其上土柱的重量，不计水平应力和剪应力。

2）滑弧内的土体认为类似刚性体，绕滑弧圆心旋转而坍滑。

3）土体可以分为单独的土条，其重量可分为作用于滑面的法向分力及切向分力。

4）土条间的侧压力视作内力，互相抵消。

2.3 计算工况

水库受放水流量和大坝防渗型式限制，不存在水位骤降问题[4]。所以只计算坝体标准剖面以下情况，复核土石坝的稳定。

1）正常蓄水位时稳定渗流期上、下游坝坡；

2）空库工况上、下游坝坡；

3）正常蓄水位时稳定渗流期遇地震上、下游坝坡。

2.4 计算参数

根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015（1/400万），本区50年超越概率10%的地震动峰值加速度0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.4 s，地震基本烈度为Ⅶ度。故本次分析计算按地震烈度Ⅶ度进行复核。

计算分析的物理力学指标根据地质试验资料结果确定，BLKQY水库①号坝基覆盖层土料内摩擦角29°，粘聚力12 kPa，天然容重14.9 kN/m3，饱和容重19.3 kN/m3。②号除险加固前原坝体填筑土料内摩擦角27°，粘聚力2 kPa，天然容重13.1 kN/m3，饱和容重18.2 kN/m3。③号除险加固后培厚加高坝体填筑土料内摩擦角32°，粘聚力2.0 kPa，天然容重16 kN/m3，饱和容重18.6 kN/m3。

2.5 计算结果

坝坡稳定见表2。

表2 大坝抗滑稳定计算成果表

从表2可看出，经过计算在正常蓄水位稳定渗流期、空库工况和正常蓄水位遇地震三种工况下大坝上下游坝坡抗滑稳定安全系数均小于规范值。抗滑稳定计算成果图见图2～图4。

图2 正常蓄水位稳定渗流期坝坡抗滑稳定计算成果图

图3 空库工况大坝坝坡抗滑稳定计算成果图

图4 正常蓄水位稳定渗流期遇地震大坝坝坡抗滑稳定计算成果图

根据计算结果，混凝土板在浮力作用下稳定的护坡板厚度计算值为8.8 cm，现在混凝土护坡厚度为15 cm，满足规范要求。

4 结语

3 护坡板厚度复核

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，对具有明缝的混凝土或钢筋混凝土护坡，当坝坡坡度系数m=2～5时，板在浮力作用下稳定的护坡板厚度可按下式计算[5]：

式中：η为系数，对整体式大块板取1.0，对装配式面板取1.1；hp为累计频率为1%的波高，m；b为沿坝坡向板长，m；ρc为板的密度，t/m3。

计算断面采用最大坝高桩号西0+300断面处波长及波高，计算结果见表3。

表3 护坡板厚度计算结果表

结合现场检查及目前大坝实际运行情况，通过上述计算可得：坝顶高程满足规范要求；根据坝坡稳定复核计算，水库大坝在正常蓄水位稳定渗流期、空库和正常蓄水位遇地震三种工况下，坝体的上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范允许值；护坡板厚度符合计算要求。从而可认为大坝结构安全，运行条件良好，依据《水库大坝安全评价导则》BLKQY水库大坝应评定为B级[6]。