土石坝砂岩压重除险加固处理坝坡稳定性分析

卢凤丽

(辽宁省本溪市水库移民管理局，辽宁 本溪 117000)

小型水库是帮助农村新兴经济体应对水资源快速增长需求、调节河川径流缓解区域水资源时空分布不均而分布在中小河流上的控制性水利工程，对其合理开发利用是加强农村水利基础设施建设、构建和谐新农村和实现乡村振兴的重要保障。小型水库在新农村安全饮水、精准扶贫、抵御洪涝灾害和抗旱应急救灾等方面均发挥非常重要作用。截至2018年底，全国已建成小型水库94 132×104座以上，总库容710×108m3。其中，土石坝以其结构简单、地基变形适应性强、施工简便和就地取材等优点，作为小型水库主流坝型得到广泛推广应用和快速发展，占已建坝数量的90%以上[1]。我国土石坝大多建于上世纪50-70年代，受当时建设技术经济水平、建设标准和施工技术等因素的制约，很多水库大坝存在“先天不足、后天失调”现象，加上服役年限的增长，大坝设计标准偏低、结构稳定和刚度不足、坝基和坝体裂缝渗漏等病险问题日益突出，急需采取合理除险加固措施消除安全隐患[2-3]。

目前，关于土石坝坝坡渗流稳定的研究已较多，但大多以大中型土石坝工程为主，而对于小型土石坝尤其是除险加固修复后坝体的渗流稳定的研究相对较少。坝坡失稳主要工程措施有加高培厚、削坡减载和坡脚压重等，其中坡脚压重是通过在坡脚施加砂岩等重物以抑制和处理坡脚地基产生的弧形滑移，提高坝坡稳定性的一种有效且经济的除险加固措施。鉴于此，本文以松坡水库为例，针对存在的上游坝坡失稳问题，设计采用砂岩坡脚压重方式进行病险处理，并计算分析加固修复后大坝上游坝坡的稳定性，以验证砂岩坡脚压重加固方案的合理性和有效性。

1 工程概况

海南省松坡水库位于琼中县黎母山镇境内，坝址以上集雨面积5.3 km2，现状正常蓄水位629.35 m，正常蓄水库容326×104m3；设计洪水位629.85 m，对应库容387.5×104m3；校核洪水位630.15 m，总库容423.5×104m3；兴利库容201.7×104m3。水库工程任务以农业灌溉为主，兼顾引水发电和城市供水，设计灌溉面积168.95 hm2,实际灌溉面积125.75 hm2。大坝枢纽由均质土坝、左岸溢洪道和取水兼放空设施等3部分组成。

2 加固前坝坡稳定性分析

松坡水库均质土坝由于前期勘探不全、设计标准偏低和施工填筑质量较差以及运行管理措施落实不到位等，大坝质量隐患逐步恶化，存在坝体局部渗漏、坝脚多处散浸点、上游坝坡滑移变形等安全隐患，给下游居民人身财产安全造成威胁[4]。为了准确掌握大坝病险状况，根据《水库大坝安全鉴定办法》(2003年)相关要求，结合大坝工程特性，采用简化毕肖普法对加固前大坝坝坡的稳定性进行分析[5]。

2.1 坝体结构及材料参数

松坡水库大坝为均质土坝，是利用当地土石材料填筑而成挡水坝。坝顶高程630.75 m，坝顶宽5 m，坝高22.5 m，坝基高程608.25 m，未设防浪墙。大坝上下游坝坡坡比分别为1∶2和1∶2.25，排水棱体采用1∶1坡比的干砌石结构。大坝填筑土体材料主要物理力学参数为：天然容重20.1 kN/m3；饱和容重20.6 kN/m3；饱和状态的固结快剪试验测得指标为：黏聚力平均值C=16.9 kPa，内摩擦角平均值φ=14.7°；非饱和状态的固结快剪试验测得指标为：黏聚力平均值C=19.1 kPa，内摩擦角平均值φ=15.5°；渗透系数k=5.83×10-5cm/s。

2.2 计算工况

根据《水库大坝安全鉴定办法》(2003年)和《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)中稳定性分析相关要求[6]，大坝除险加固前后稳定性分析设置5种工况，即：

1) 稳定渗流期大坝上下游坝坡处抗滑稳定，包括：①正常运用工况1：正常蓄水位(629.35 m)条件；②正常运用工况2：设计洪水位(629.85 m)条件；③正常运用工况3：校核洪水位(630.15 m)条件。

2) 非稳定渗流期大坝上下游坝坡处抗滑稳定，包括：①非常运用工况1：由校核洪水位(630.15 m)骤降至正常蓄水位(629.35 m)条件；②非常运用工况2：由正常蓄水位(629.35 m)骤降至死水位(625.92 m)条件。

2.3 加固前稳定性分析

基于极限平衡原理，结合上游坝坡滑移不稳现状，采用圆弧滑动简化毕肖普法(Bishop)进行滑裂土体抗滑稳定性分析，安全系数计算成果见图1和表1。

图1 加固前大坝稳定渗流期(正常蓄水位629.35 m)浸润线及滑裂面

表1 上游坝坡加固前抗滑稳定分析成果

从表1中的大坝加固前安全鉴定可知，上游坝坡在各运用工况条件下其稳定性均小于规范指标，尤其在非常运用工况2(由正常蓄水位629.35 m骤降至死水位625.92 m条件下)，上游坝坡的稳定性安全系数仅有0.97，远低于规范指标。说明上游坝坡稳定性较差、安全隐患较大，而下游坝坡各工况条件下安全系数均满足规范要求，稳定性好且安全富裕度大。因此，大坝除险加固需重点进行上游坝坡加固修复处理。

3 上游坝坡除险加固及稳定性分析

3.1 上游坝坡除险加固方案

结合现场踏勘和钻孔取芯样试验结果，判断大坝上游主要发生了弧形滑移。综合考虑工程特性和水库大坝除险加固常用工程措施，设计优选砂岩压重来抑制和处理坝坡坡脚地基产生的弧形滑移，以提高上游坝坡稳定性，除险加固方案见图2。

图2 上游坝坡砂岩压重除险加固方案

上游坝坡砂岩压重体底部与坝基基岩高程608.25 m平齐，顶宽4.5 m，高3 m，迎水面坡比1∶2，背水面与坝坡贴近。砂岩压重体材料主要物理力学参数为：天然容重24.6 kN/m3；饱和容重25.6 kN/m3；饱和状态的固结快剪试验测得指标为：黏聚力平均值C=5.96 kPa，内摩擦角平均值φ=29.8°；非饱和状态的固结快剪试验测得指标为：黏聚力平均值C=9.9 kPa，内摩擦角平均值φ=31.8°；渗透系数k=3.97×10-3cm/s。

3.2 加固后稳定性分析

土石坝稳定计算主要分析水位以上坝坡的渗流压力，而对于水位以下坝坡部分，为了简化计算可以将其视为一个有重量无强度的特殊刚体。按2.2节中设置的5种计算工况，采用理正软件简化毕肖普法(Bishop)，计算得到上游坝坡砂岩压重加固处理后的土石坝渗流稳定分析成果，见图3和表2。

图3 上游坝坡加固后浸润线及滑裂面示意

表2 上游坝坡加固后抗滑稳定分析成果

由表1和表2对比分析可知，上游坝坡采用砂岩压重处理后，安全系数分别由1.18、1.16、1.21、1.11和0.97增加至1.39、1.51、1.62、1.53和1.36，全部满足规范指标要求且增加明显，坝坡稳定性得到有效提高。

为分析砂岩压重对坝体浸润渗流稳定的影响，对比加固前后大坝稳定渗流期(正常蓄水位629.35 m)浸润线及滑裂面分布情况，见图1和图3(a)。结果表明，上游坝坡采用砂岩压重加固处理后，坝体内部浸润线分布未发生明显改变，而滑裂面分布则发生明显改善。加固处理后，滑裂面剪出口由加固前的坝坡坡脚处明显抬升到砂石压重体顶部高程与坝坡交点处，坝坡坡脚地基产生的弧形滑移得到有效抑制和处理。

4 结 语

针对松坡水库均质土坝上游坝坡圆弧滑移不稳问题，基于极限平衡原理，采用理正软件简化毕肖普法(Bishop)对采取砂岩压重加固处理前后的上游坝坡稳定性进行论证分析，得到以下主要结论：

1) 大坝加固前下游坝坡稳定性较好，而上游坝坡稳定性较差，不满足规范指标要求，急需采取相应除险加固措施进行病险处理。

2) 结合安全鉴定结果及工程病险现状，设计采用砂岩压重加固措施对上游坝坡弧形滑移进行抑制和处理。

3) 上游坝坡采用砂岩压重加固处理后，各工况条件下的安全系数增加明显且均大于规范指标，坝坡稳定性得到全面提高。坝体内浸润线分布未发生明显改变，而滑裂面剪出口则明显抬高且趋于稳定，坝坡不稳问题得到有效处理。