某水库大坝稳定复核

郭 晴

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

0 引言

某大型水库始建于1959年，1961年拦洪蓄水，1970年移交管理，进行过多次局部加固，水库承担着防洪、灌溉和发电的任务。现状坝体是多年历次填筑而成，坝坡稳定计算较为复杂。本文对该土坝坝坡稳定复核过程作简要论述，对关键点进行总结，为类似工程大坝稳定计算提供参考。

1 工程概况

本文研究的水库是一座以防洪为主，结合灌溉、发电等综合利用的大（2）型年调节水库。枢纽工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2 级，次要建筑物级别为3 级，采用100年一遇洪水设计、2000年一遇洪水校核，地震设防烈度为Ⅷ度。水库正常蓄水位50.35 m。为方便阅读，文中水位均采用相对高程，以坝基高程作为高程零点。

该水库枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪供水发电隧洞、水电站等建筑物组成。

大坝分为主坝段和副坝段，坝0+000～坝0+420 m为副坝段，坝0+420～坝0+720 m 为主坝段。坝型为水中填土均质坝，最大坝高56.07 m，坝顶长720 m，坝顶宽6 m。坝基砂砾石透水层采用深10 m、底宽10 m，边坡为1∶1 的黏土截水槽防渗。下游设反滤排水棱体。副坝段截水槽在原小冲沟填筑，偏向上游，左岸端尚有60 m 未设截水槽，该段过槽剩余水头较高，下游设虹吸管减压井排水。大坝上游坝坡为1∶2.5～1∶2.75，为干砌块石护坡，下游坝坡为1∶2～1∶3.5，在高程27.75 m 处设置10 m 宽砂砾料路面作为防洪抢险公路，下游坝坡公路以上为方格碎石护坡，以下为干砌石护坡。

2 大坝稳定计算

2.1 大坝稳定分析断面选择

分析断面主副坝各选取一个，且取主副坝坝高最大处，即：主坝段坝0+450、副坝段坝0+220，副坝段未考虑减压井作用。

2.2 大坝稳定计算参数选取

坝体土土力学指标对稳定计算结果起着至关重要的作用。为此，勘察人员做了大量工作，对坝体质量进行了检查，并委托太原理工大学岩土力学与工程实验室进行静三轴试验，岩土室进行物理力学指标试验，勘察人员结合大坝现场质量检查结果对试验结果进行分析并修正，以干密度ρd值为主要量化依据，同时考虑土体工程地质特性等因素，将坝体土分为三个大区,每区一般分上、下两层，分层深度一般20 m 左右，共分为十个亚区，黄土台地作为单独的一个区。分区剖面图见图1。

I1上、I1下亚区分布于坝轴线两侧，宽约50 m，沿坝轴线展布；I2亚区分布于大坝下游28.75 m 公路平台两侧，宽约20 m；Ⅱ1亚区分布于下游坝坡28.75 m 公路平台以下至坝脚；Ⅱ2上、Ⅱ2下亚区分布于下游坝坡中上部，宽约60 m；Ⅱ3上、Ⅱ3下亚区分布于上游坝坡中上部，宽约75 m；Ⅲ上、Ⅲ下亚区分布于坝上游坡33.75 m 平台至上游坝坡脚；黄土台地位于副坝段下部。

本次大坝稳定计算参数取分区后土力学指标见表1。

2.3 计算软件

计算软件为河海大学《Autobank》软件7.08 版。

2.4 计算工况选取

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），土石坝上、下游坝坡稳定计算应计算的工况如下：

1）施工期的上、下游坝坡；

图1 大坝填土分区剖面图

表1 大坝稳定计算参数表

2）稳定渗流期的上、下游坝坡；

3）水库水位降落期的上游坝坡；

4）正常运用遇地震的上、下游坝坡。

该水库现状大坝稳定计算，不存在第1 种工况；本次计算2、3、4 种工况。其中，水位降落期的选取应根据水库历年实际运行情况选取，该水库水位降落主要是汛期控制水位及为下游灌区供水。本次大坝稳定复核主要计算分析近年实际灌溉期水库水位降落上游坝坡稳定安全情况。对近17年（2003年至2019年）灌溉期水位降落情况进行分析，灌溉期基本为每年的3月中旬到5月底和11月中旬到12月底，灌溉期平均降速基本都小于0.25 m/d。平均降速最大是2006年11月22日至2007年1月1日，库水位由47.05 m降至36.23 m，降幅为10.82 m，平均降速0.27 m/d。降幅最大是2004年3月15日至2004年6月2日，库水位由47.68 m 降至32.24 m，降幅为15.44 m，平均降速0.20 m/d。本次水位降落期选取降幅最大和平均降速最大的年份作为最不利工况分别计算。

坝坡稳定计算工况（非抗震）如下：

1）稳定渗流期：正常蓄水位50.35 m 时的上、下游坝坡稳定；

2）库水位降落期（运行期降幅最大）：库水位由47.68 m 降至32.24 m，降幅为15.44 m，平均降速0.20 m/d时的上游坝坡稳定；

3）库水位降落期（运行期平均降速最大）：库水位由47.05 m 降至36.23 m，降幅10.82 m，平均降速0.27 m/d 时的上游坝坡稳定。

抗震工况为以上三种工况分别遭遇地震时的坝坡稳定计算。

2.5 坝坡稳定计算

分别对上述几种工况进行渗流计算，在渗流计算确定的渗流场基础上再进行坝坡稳定计算，渗流计算和坝坡稳定计算均采用河海大学《Autobank》软件7.08 版进行计算，渗流计算方法为有限元法，边坡稳定计算采用毕肖普法。根据规范要求，稳定渗流期采用有效应力法计算，坝体土的抗剪强度采用固结不排水指标；库水位降落期应同时采用有效应力法和总应力法，坝体土的抗剪强度采用固结不排水指标，以较小的安全系数为准，这是因为在库水位降落期，坝体黏性填土已经固结饱和，水位降落时认为黏性填土是不排水的，孔隙压力不消散，与固结不排水试验情况相似，因而规定可采用饱和固结不排水剪的总强度指标。坝坡稳定计算结果见表2、表3，滑弧位置以图2～4 为代表。

表2 坝坡稳定安全系数计算结果表（非抗震）

表3 坝坡抗滑稳定安全系数计算结果（抗震0.2 g）

3 大坝坝坡稳定性评价

3.1 非抗震情况

经复核计算，在正常蓄水位50.35 m 工况下，主、副坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数最小为1.849，满足现行规范要求。

在库水位限制降速0.25 m/d 的条件下，最危险降幅段47.68 m-32.24 m，主、副坝上游坝坡抗滑稳定安全系数最小为1.351，满足现行规范要求。

3.2 抗震情况

经复核计算，在正常蓄水位50.35 m 遇地震工况下，主、副坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数最小为1.386，满足现行规范要求。

在库水位限制降速0.25 m/d、最危险降幅段47.68 m-32.24 m、遭遇地震的工况下，主、副坝上游坝坡抗滑稳定安全系数最小为0.951，不满足现行规范要求，坝坡不稳定，下一步应进行除险加固。

图2 坝0+450（主坝段）正常蓄水位+地震上、下游滑弧位置示意图(有效应力法)

图3 坝0+450（主坝段）水位降落期+地震（47.68 m-32.24 m，历时1852.8 h，降速0.2 m/d）上游滑弧位置示意图（总应力法）

图4 坝0+450（主坝段）水位降落期+地震（47.05 m-36.23 m，历时961.78 h，降速0.27 m/d）上游滑弧位置示意图（总应力法）

3.3 上游坝坡稳定敏感性分析

在大坝填筑分区、主要工作条件等确定的情况下，大坝坝坡稳定主要受坝体土土力学指标控制。而土力学指标影响因素很多，单纯依靠试验提出的土力学指标很难判断大坝是否稳定，因此需在试验提出的土力学指标的基础上，分析单一参数上下浮动时坝坡稳定安全系数变化情况，即对大坝坝坡稳定进行敏感性分析。

主坝库水位降落（47.68 m-32.24 m）遇地震时上游坝坡最危险滑弧主要穿过坝体Ⅱ3上、Ⅰ1上区，本次分析主坝在库水位降落（47.68 m-32.24 m）遇地震工况下，采用总应力法计算时，当其他参数不变的情况下，Ⅱ3上、Ⅰ1上两区土力学指标分别变化时，坝坡稳定系数变化情况。结果见表4、5。

表4 敏感性分析表（Ⅱ3上区土力学指标变化）

表5 敏感性分析表（Ⅰ1上区土力学指标变化）

从表4、5 可看出：

1）大坝的稳定安全系数随内摩擦角（Φ）和粘聚力（C）的增大而增大；

2）坝体Ⅱ3上区土力学指标对大坝稳定安全系数影响较大，而Ⅰ1上区土力学指标对大坝稳定安全系数影响较小。分析其原因，主要有二：一是因为滑弧穿过的Ⅰ1上区比Ⅱ3上区少；二是Ⅱ3上区有部分为阻滑力区。

3）在当前坝坡情况下，对于坝体Ⅱ3上区，当C=14.5 kPa 时，Φ 每增加1°，安全系数增量约为0.04；当Φ=10°时，C 每增加1 kPa，安全系数增量约为0.01。由此可得，内摩擦角Φ 对大坝稳定安全系数的影响大于粘聚力C。

4）Ⅱ3上区C 增大1～3 kPa 或Φ 增大1°～3°时，主坝上游坝坡稳定安全系数小于规范要求的1.15，坝坡不稳定。

4 总结

计算过程中，几个关键点总结如下：

1）水位降落期工况的选取：根据该水库的防洪要求和下游灌溉供水的实际情况，本次收集了近17年（2003年至2019年）灌溉期的水位降落资料，并对水位、降落时间、降幅、平均降速及最大降速进行整理分析，从中选取水位平均降速最大和水位降幅最大的年份作为水位降落期的最不利工况，力求所选工况能够反映大坝实际运行情况，更具代表性。

2）坝体土分区：由于现状坝体是多年历次填筑而成，地勘人员对坝体质量进行了检查并进行分区：共分为三个大区，每区一般分上、下两层，共分为十个亚区，黄土台地作为单独一个区；并提出了各区的物理力学参数。正是采用分区后的相关参数，为计算提供了较为可靠的数据基础。

3）上游坝坡稳定敏感性分析：坝体土的分区，为敏感性分析提供了可能。本次对主坝坝坡最危险滑弧主要穿过的坝体Ⅱ3上、Ⅰ1上区进行了敏感性分析，进一步探究了两区土力学指标分别变化时，坝坡稳定系数变化情况。