规范修订对土石坝安全评价复核计算的影响

郝 洁，李 军，贾海磊，潘文明

（水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏 南京，210000）

0 引言

《水库大坝安全鉴定办法》（水建管〔2003〕271号）由水利部修订颁布，2003年8月1日起施行。大坝安全评价包括工程质量评价、大坝运行管理评价、防洪标准复核、大坝结构安全、稳定评价、渗流安全评价、抗震安全复核、金属结构安全评价和大坝安全综合评价等几个方面。根据《水库大坝安全鉴定办法》要求，“大坝实行定期安全鉴定制度，首次安全鉴定应在竣工验收后5年内进行，以后应每隔6～10年进行一次”。大坝安全鉴定根据SL 258—2017《水库大坝安全评价导则》[1]进行。近年来，有很多2000年后建成或完成除险加固的大坝进行了安全鉴定，即使水库大坝建设时各项参数均符合当时的规范要求，复核结果也可能与原设计阶段不同。在不考虑基础资料更新的情况下，复核结果的不同主要源于设计阶段和鉴定阶段参照规范的变化。

水利规范的修订是在总结成熟的工程经验基础上完善规范内容，并引进一些先进的设计理念和计算方法，但在实施过程中还需要分析规范的更新对安全评价的影响。宋恩来[2]对《水电站大坝安全管理办法》在修订和执行过程中遇到的洪水调度、坝顶防浪墙等问题进行了探讨；李昱蓉等[3]对《水利水电工程钢闸门设计规范》修订的技术内容进行了详细叙述和解读。笔者针对中小型土石坝安全鉴定中有关规范修订涉及的复核内容进行新旧规范的对比分析。

1 土石坝安全评价主要复核计算内容

土石坝安全评价主要复核计算内容根据SL 258—2017《水库大坝安全评价导则》进行确定。

1.1 防洪能力复核

在防洪标准复核方面，对比SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》[4]和SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》[5]，水库大坝工程规模和工程等级的标准未变。

设计洪水复核及调洪计算有固定计算方法，与规范更新无关。

大坝抗洪能力复核方面，对比SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》[6]和SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》[7]、SL 189—96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》[8]和SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》[9]，土石坝坝高计算方法和参数取值规定没有变化；对比SL 253—2000《溢洪道设计规范》[10]和SL 253—2018《溢洪道设计规范》[11]，溢洪道的泄流能力计算方法有所更新。

1.2 渗流安全复核

根据修订前后的《碾压式土石坝设计规范》和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》，渗流稳定计算有一些区别；对比GB 50287—99《水利水电工程地质勘察规范》[12]与GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[13]，渗透变形有所更新，将在下文进行说明。

1.3 结构安全复核

土石坝结构复核计算方面，依据《碾压式土石坝设计规范》，新规范规定了坝坡稳定计算典型断面的选择要求，其他计算方法无明显区别。

在《溢洪道设计规范》修订前后版本中，溢洪道稳定性复核方法无明显更新。

1.4 抗震稳定复核

依据《碾压式土石坝设计规范》修订前后的版本，抗震稳定计算方法有所更新，将在下文说明。

1.5 金属结构复核

根据SL 258—2017《水库大坝安全评价导则》11.1.3条文说明，对中小型水库结构简单的金属结构，可以综合现场检查和安全检测结果直接对安全性做出评价。据此，不对土石坝的金属结构计算进行分析。

1.6 规范更新范围

综上所述，规范更新对土石坝安全评价复核计算的影响主要涉及泄流能力复核、渗流安全复核和抗震稳定复核三方面，下文将针对这三方面的规范更新对安全鉴定的影响进行分析。

2 泄流能力复核

土石坝的泄流建筑物多为自由出流宽顶堰，可根据《溢洪道设计规范》进行计算。2018年以前采用SL 253—2000《溢洪道设计规范》，2018年以后采用SL 253—2018《溢洪道设计规范》。

2.1 泄流能力对比分析

2018年新版规范和2000年老版规范相比，主要针对宽顶堰对侧收缩系数专门作出规定，并增加考虑了上游引渠宽度对侧收缩系数的影响。由于从公式中无法直观看出变化规律，现利用案例进行两个版本规范计算结果的对比和说明。

（1）某三孔溢洪闸，每孔净宽2.5 m，平底溢洪闸闸门全开非淹没出流，同样情况下，根据新老规范计算泄流能力见图1。

图1 某三孔溢洪闸泄流能力Fig.1 The discharge capacity of a three-hole spill gate

（2）某双孔溢洪闸，每孔净宽5 m，平底溢洪闸闸门全开非淹没出流，同样情况下，根据新老规范计算泄流能力见图2。

图2 某双孔溢洪闸泄流能力Fig.2 The discharge capacity of a two-hole spill gate

（3）某单孔、净宽7 m、平底溢洪闸闸门全开非淹没出流，同样情况下，根据新老规范计算泄流能力见图3。

（4）某单孔、净宽3 m、平底溢洪闸全开非淹没出流，同样情况下，根据新老规范计算泄流能力见图4。

图4 某单孔净宽3 m溢洪闸泄流能力Fig.4 The discharge capacity of a single-hole spillgate with a net width of 3 m

由图1~2可知，在引渠宽度不大于闸孔总净宽1.5倍时，同水位下，新规范计算多孔宽顶堰泄流能力均较老规范大。由图3~4可知，引渠1.5倍闸孔总净宽时，新规范计算单孔宽顶堰泄流量与老规范结果基本一致；引渠1倍闸孔总净宽时，新规范泄流量大于老规范计算值。

图3 某单孔净宽7 m溢洪闸泄流能力Fig.3 The discharge capacity of a single-hole spill gate with a net width of 7 m

综上所述，在引渠宽度不大于闸孔总净宽1.5倍时，新规范计算宽顶堰平底闸过流能力较老规范偏大或基本一致，故在基础数据不变的情况下进行调洪，平底闸在闸门全开时设计及校核水位一般会有所降低或保持一致。在此情况下，考虑到原设计经审批且数据偏保守，依旧建议采用原设计及校核水位作为水库特征水位。

2.2 对坝顶超高的影响

大中型水库根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》和SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》，小型水库根据SL 189—96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》和SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》，在不同时期的规范中，土石坝坝高计算方法和参数取值规定没有变化，由于特征水位一般没有改变，根据老规范设计的坝顶高程在安全评价时依旧符合规范要求。

3 渗流稳定复核

土石坝渗流稳定复核主要依据规范：大中型水库根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》和SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》，小型水库根据SL 189—96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》和SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》。

渗透变形判别的主要依据为GB 50287—99《水利水电工程地质勘察规范》和GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》。

3.1 渗流稳定对比分析

SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》8.1.2稳定渗流计算相对SL 189—96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》增加了设计及校核洪水位的复核，主要为抗滑稳定复核提供依据。

SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》仅要求对1、2级坝及高坝渗流计算采用数值法，其他情况可采用公式法，而2020版规范规定渗流计算均采用数值法进行，并确定了渗流计算几何模型的要求，即渗流模型的边界选取及分区的精准性。

《碾压式土石坝设计规范》修订后可能造成计算水力比降和浸润线有所改变，但会比原规范结果更加符合实际情况。

3.2 渗透稳定性判别对比分析

GB 50287—99《水利水电工程地质勘察规范》中用细粒含量判断土的渗透变形为管涌或流土，由于该项存在一定的不确定性，在2008版规范中进行了删除。

流土的渗透坡降计算公式在2008年版规范中无更改，采用公式为2008版规范G.0.6-1（即99版规范M.0.3-1）：

式中，J cr为临界水力比降；G s为土的颗粒密度与水的密度之比；n为土的孔隙率。

2008版规范条文说明中注明了流土的渗透坡降计算公式不适用于黏性土，但在2008年以前的设计报告中，黏性土的临界水力比降多采用上述公式，该公式计算临界水力比降较小，当安全系数为2时，允许水力比降一般不大于0.5。

目前在实际安全评价中，黏性土的渗透坡降推荐采用刘杰提出的计算公式[14]，临界水力比降为：

式中，C为土的抗渗凝聚力（kPa），根据液限进行取值。

对比规范中流土渗透坡降公式与刘杰的黏性土渗透坡降公式可知，刘杰的公式后项已大于规范公式，且刘杰的公式在计算中尚需加上抗渗凝聚力，故计算结果必然大于规范流土公式。

根据刘杰的《土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训》，该式计算一般黏性土抗渗强度见表1。

表1 一般黏性土的抗渗强度Table 1 The anti-permeability strength of common clay soil

2008版规范中未推荐使用刘杰的公式计算黏性土的临界水力比降，一方面可能是由于黏性土的临界水力比降一般大于非黏性土，若已满足非黏性土的临界水力比降，则黏性土情况是安全的；另一方面，GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》并非专用于水利设计的规范，根据不同行业情况和地勘的深度，黏性土的临界水力比降公式会由于参数的可获取性有所区别。

土石坝安全鉴定中，刘杰的公式所需参数在水库大坝地质勘察中均可获取，适宜用于土石坝的渗流稳定分析，且规范中已明确说明G.0.6-1公式不适用于黏性土，若依旧使用该公式计算临界水力比降确实不合适。故笔者认为，可以使用刘杰的公式作为黏性土水力比降的计算方法。

故黏性土的允许水力比降在安全评价中会有明显增加，即使考虑计算方法改为数值法，复核计算时一般也没有安全性的问题，而非黏性土的水力比降计算，根据规范更新，没有明显区别。

3.3 对抗滑稳定的影响

土石坝的稳定计算在渗流计算的基础上进行，根据浸润线变化，抗滑稳定系数和原设计一般有所区别。通常情况下，原设计抗滑稳定安全系数都有较大的余裕，在安全评价复核中一般不会发生抗滑稳定安全系数不足的情况。

4 抗震稳定性计算

土石坝抗震稳定复核主要依据规范：SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定抗震稳定计算应按SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》[15]执行；SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》规定抗震稳定计算应按GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计规范》[16]执行。

4.1 抗震稳定计算方法对比

根据SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》，采用拟静力法进行抗震稳定计算时，对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，可采用瑞典圆弧法进行；根据GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计规范》，土石坝抗震稳定计算改为宜采用基于计及条间作用力的划弧法。原因在《碾压式土石坝设计规范》8.3.15~8.3.18条文说明中阐释，瑞典圆弧法计算简单，便于手算，但结果往往失真，目前工程设计几乎都采用计算软件完成，能快捷获得计及条间作用的抗滑稳定系数。该项规范更新增加了抗滑稳定计算的可靠性，在实际安全鉴定中，复核抗滑稳定系数一般都满足规范要求。

4.2 压实度参数对比

根据SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》，对于无黏性土压实，浸润线以下材料的相对密度根据设计烈度大小，选用0.75~0.85。在GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计规范》中，规定浸润线以下材料的相对密度不应低于0.80。

该条目更改了对浸润线以下无黏性土压实度的要求，但一般情况，设计时都已经考虑一定的富余，且经过数年的时间，填土的压实度一般都会有所增加，在安全鉴定中一般能满足规范要求。

5 结语

规范修订在总结成熟工程经验的基础上完善了规范内容，引进一些先进的设计理念和计算方法，为土石坝安全鉴定提供科学依据。

（1）大坝安全鉴定的复核工作不是对原设计的重复复核，需要根据基础资料的更新、工程改建及规范更新对现有工程进行评价。

（2）对于土石坝安全鉴定，2000年后设计或除险加固的工程参数，若不考虑基础资料的更新和工程改建情况，规范的更新主要影响泄流能力复核、渗流稳定复核及抗震稳定复核。

（3）泄流能力复核计算宽顶堰平底闸过流能力较原规范偏大或基本一致，据此复核特征水位较设计偏小，考虑到原设计经审批且数据偏保守，依旧建议采用原设计及校核水位作为水库特征水位。根据老规范设计的坝顶高程在安全评价时依旧符合规范要求。

（4）渗流稳定复核中，黏性土允许水力比降在安全评价中会有明显增加，即使考虑计算方法改为数值法，复核计算时一般也没有安全性的问题。

（5）抗震稳定复核时，建议计算方法由瑞典条分法改为简化毕肖普法，更为准确；更改了对浸润线以下无黏性土压实度的要求。在复核时一般都能满足规范要求。

综上所述，主要的规范更新内容几乎不会造成原设计参数不符合现行规范的情况，但部分计算方法和参数选取在安全鉴定中需要注意与原设计的差异。