某小（1）型水库安全评价中大坝结构稳定分析

丛双芝

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110003）

1 工程及地质概况

某小（1）水库库区径流面积为6.70 km2，河道长6.13 km，河床比降0.0059。水库枢纽工程主要由主坝、副坝、输水涵、输水隧洞、溢洪道等组成[1]。主坝为均质土坝，最大坝高为19.0 m，坝顶为砼路面，坝顶高程为85.5 m，坝顶宽6 m，坝顶长195.5 m。副坝为均质土坝，最大坝高为10.20 m，坝顶为砼路面，坝顶高程为83.160 m，坝顶宽4.3 m，坝顶长66 m。水库主、副坝断面见图1和图2。

图1 水库主坝断面图（尺寸单位：m）

图2 水库副坝断面图（尺寸单位：m）

水库地貌类型以低丘陵及剥蚀残山为主，水库西面大部分为地形较高的剥蚀山丘，东面为低矮准平地，是人口密集的工业区。库区西部基岩为中生代白垩纪早白垩世中粗粒黑云母二长花岗岩（K11bηγ），东部基岩为中生代侏罗世粉砂岩、粉砂质泥岩（J1-2t）。库区主要出露的地层为第四系地层，主要为冲洪积层和残积层，第四系冲洪积层分布范围较小，一般位于河床和冲沟底，岩性为含砾粘土和粉质粘土，局部有砾砂、角砾层，厚度不大，呈透镜状分布；第四系坡残积层分布广泛，岩性为砾质粘性土和粉质粘土，厚度依地形地貌而变化。

根据坝址现场地质调查及钻探结果，在勘探场地及深度内范围内未发现断层、岩溶、滑坡、泥石流及液化土层分布等不良地质作用及特殊岩土。

2 大坝坝基和岸坡质量评价

2.1 大坝现状评价情况

2.2.1 大坝坝基和岸坡质量评价

依据《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000）[2]及《土石坝安全监测技术规范》（SL 60-2012）[3]，本次现场检查采取了历史资料分析法、现场巡视检查法相结合的办法，对大坝坝体有无裂缝、异常变形、渗漏、塌陷及动物危害现象进行重点检查，得到以下检查结果:（1）水库运行管理情况整体较好；（2）主坝坝顶路面平整，局部有裂缝1处、破损1处；（3）主坝坝后坡阶梯局部有破损2处；（4）主坝马道与马道旁排水沟有裂缝1处；（5）主坝坝后坡排水棱体有2处存在少量的渗流量；（6）副坝坝顶路面平整,局部有裂缝1处。

2.2.2 大坝坝体质量评价

根据室内土工试验及击实试验，坝体人工填土所取土样干密度介于1.32 g/cm3～1.70 g/cm3，坝体三组击实样的校正后最大干密度平均值为1.83 g/cm3，计算得出坝体人工填土压实度介于72%～93%之间。根据室内土工渗透试验分析，对4组坝体人工填土试样进行了室内渗透试验，渗透系数为4.3E-6 cm/s～8.6E-4 cm/s，平均渗透系数为3.00E-4 cm/s，为中等透水性。

综上所述，坝体填筑土土料质量满足均值土坝用料要求，但其压实度不满足《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）[4]对3级以下中、低坝粘性土压实度96%～98%的要求。根据《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000），水库坝体填筑土压实度不满足规范要求，应进一步进行大坝结构抗滑稳定分析后来评价大坝结构安全状况。

3 大坝抗滑稳定分析

3.1 分析方法

3.1.1 计算方法

水库大坝稳定计算按《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000）和《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）有关规定执行。本次计算分析采用计算条块间作用力的简化Bishop法求坝坡抗滑稳定最小安全系数，计算公式如下:

式中:W为条块重，kN；W1为在坝坡外水位以上的条块湿重，kN；W2在坝坡外水位以下的条块湿重，kN；V为垂直地震惯性力(向上为负，向下为正)，kN；u为作用于土条底面的孔隙压力，kPa，取值为0；b为土条宽度，m；α为条块重力线与通过此条块底面重点的半径之间的夹角，°；c'、φ'为土条底面的强度指标，kPa、°，参见力学参数表；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

该水库大坝为3级坝，本次安全评价采用3级坝的安全性分级指标进行评价。稳定计算的标准水位采用本次复核计算成果见表1。

表1 水库特征水位

3.1.2 计算工况

根据《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000）和《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）有关规定拟定水库稳定复核计算的各种工况见表2。

表2 水库稳定复核计算的各种计算工况表

工况6根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）有关规定划分[5]，本区属Ⅶ度区，建议本场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10 g。

3.1.3 渗流边界

主坝浸润线遵循随库水位上涨而提高、随库水位跌落而下降；副坝因下游与地面几乎齐平，本次安全鉴定未做渗流安全评价，故本次抗滑稳定计算只做上游坡计算。

3.1.4 物理力学指标选取

本次稳定分析的坝身填土、坝基的物理力学指标等均选自本次工程地质勘察成果，反滤体的物理力学指标根据《砂砾石地基工程地质》和《中小型水利水电工程地质》(第二版)并结合同类工程经验数值取值，凝聚力C=0，内摩擦角φ=35°，容重γ=2.5 g/cm3。土坝的物理力学指标取值见表3。

3.2 计算结果

计算工具采用“理正边坡稳定分析软件”之“简化Bishop法”。经计算，在各种工况下的坝坡抗滑稳定最小安全系数均满足规范要求，计算结果见表4和表5，各工况下主坝、副坝坝坡滑移计算图见图3～图6（受篇幅所限，只列出部分）。

表3 坝址岩土层主要物理力学性质指标建议值

表4 主坝稳定计算安全系数结果表

表5 副坝稳定计算安全系数结果表

图3 主坝工况1上、下游坝坡滑移计算图（尺寸单位：m）

图4 主坝工况3上游坝坡滑移计算（尺寸单位：m）

图5 副坝工况4上游坝坡滑移计算图（尺寸单位：m）

图6 副坝工况5上游坝坡滑移计算图（尺寸单位：m）

3.3 大坝护坡强度复核

该水库主坝上游坝坡为200 mm厚C25混凝土护坡。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001），坝体上游混凝土护坡在浮力作用下稳定的面板厚度可按下式计算:

式中:η为系数，对整体式大块护面板取1.0，装配式护面板取1.1（本次取1.0）；hp为累积频率为1%的波高，m；b为沿坝坡向板长，m；ρc为板的密度，t/m3。计算成果见表 6。

表6 大坝坝体上游混凝土护坡厚度

从表6可看出，水库在各工况运行水位下，主坝坝体上游混凝土护坡现状板厚均大于计算所需厚度，故主坝坝体上游混凝土护坡强度满足规范要求。

3.4 大坝结构安全复核结论

抗滑稳定复核计算结果表明，主坝断面在正常运用工况下，坝坡的抗滑稳定最小安全系数为1.497，大于1.43，达到A级；在非常运用工况下，坝坡的抗滑稳定最小安全系数为1.353，大于1.32，达到A级。副坝断面在正常运用工况下，坝坡的抗滑稳定最小安全系数为2.52，大于1.43，达到A级；在非常运用工况下，坝坡的抗滑稳定最小安全系数为2.431，大于1.32，达到A级。

根据护坡强度计算，主坝坝体上游混凝土护坡强度满足规范要求:副坝上游砂浆砌筑透水砖护坡厚度无法得知，但现状透水砖护坡平整度较好，无破损，现场未发现异常现象。根据《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000）附录B对大坝安全综合评价，该水库大坝结构安全性评价为A级。

4 结论及建议

经评定，该水库综合安全评价为二类坝，针对本水库存在的安全问题，提出如下建议:①对主坝坝后阶梯破损处、马道裂缝处进行修复加固；②建议本次鉴定的复核值作为水库特性采用值；③加强对水库大坝建筑物进行定期运行管理和维护。