河南光山五岳水库主坝变形分析及稳定性复核

丁秀英，赵海滨

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

1 工程概况

河南省光山县五岳水利枢纽位于淮河一级支流寨河主干青龙河上游，于1966 年9 月始建，1971 年底竣工蓄水，是淮河上游一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电、水产养殖等综合运用的大型水利枢纽。 该枢纽原防洪标准为百年一遇洪水设计， 千年一遇洪水校核，主体工程有主坝、副坝、溢洪道、副溢洪道、输水洞等。

枢纽主坝位于光山县城西南35 km 南向店乡长冲村境内。 坝体为黏土心墙砂壳坝，坝顶长561 m，坝顶宽5.5 m，最大坝高28.8 m，坝顶高程为93.7 m，黏土心墙顶部高程93.0 m。 大坝上游坡面为块石护砌，坝坡分3 级：1:2.4、1:3、1:3.25。 下游坝坡，84.5 m平台以下为块石护坡，以上为草皮护坡，也分3 级：1:1.9、1:2.5、1:2.5。 心墙黏性土料以粉质黏土和重粉质壤土为主。 坝壳填料，在黏土心墙上游85.0 m 高程以上为代替料，以下为砂砾石；黏土心墙下游侧，主河槽段78.0 m 高程以上为代替料，以下为砂砾石；台地段82.0 m 高程以上为代替料，以下为砂砾石。

主河槽段，坝壳上游坡度由顶向下为1:2.4、1:3和1:3.25 3 级，下游坡度由顶向下为1:1.9、1:2.5、1:2.5 3 级，上、下游坡在84.5 m 和76.5 m 高程处均设有戗台，戗台宽为1.5 m。 台地段坝壳上游坡度由顶向下为1:2.4 和1:3 分为2 级，下游坡度由顶向下为1:1.9 和1:2.5 分为2 级，上、下游坡在84.5 m 高程处设有戗台，戗台宽为1.5 m。

五岳水利枢纽自投入运行以来，所在河流的防洪标准有了很大提高，累计灌溉用水6.45 亿m3，对该地区农业增产增收发挥了巨大效益。 经过多年的运行后，出现的主要问题有：（1）主坝防浪墙裂缝及钢筋混凝土碳化严重。 （2）主坝坝顶下游侧路沿石挡墙严重倾斜。 （3）主坝内外护坡坍塌，导排水设施毁坏。 主坝迎水坡块石护坡，出现多处大面积块石坍塌、空洞等现象。 坝下游84.5 m 高程平台以下块石护坡、导渗沟和坝坡纵横向排水沟块石自然老化、风化剥落、毁坏严重。 块石表面风化严重，左侧局部块石颜色较深（较强风化，或采用了风化石材），护坡局部变形，主要表现为中部下沉。 （4）坝体背水坡出现大面积渗水，在南台地、北坝头山体与坝体接合处出现集中渗水现象。 （5）存在白蚁危害。

2 主坝变形分析

2.1 主坝变形观测设施的布设

枢纽主体工程于1973 年开始埋设观测设备，在主坝上共布设5 排25 个沉降观测标点。 其河槽段观测管安装如图1 所示。

2.2 垂直位移观测资料分析

由于在五岳水利枢纽坝体施工时没有埋设分层固结管，故占总沉降量80%左右的施工期沉降量无法观测。 位移标点于1973 年3 月埋设，由于当时缺乏观测仪器，直到1977 年4 月份才实测一次。 实测中发现， 原埋设的钢筋头和铁板已全部锈蚀。 1977年坝顶加高时，改为紫铜标点和紫铜板配不锈钢尺，于当年11 月份重新测定。

主坝运行期各沉降沉降量(1977.11～2002.11)如表1 所示，其中坝顶轴线标点（心墙）累计沉降量统计如表2 所示。

图1 主坝河槽段观测管安装图Fig.1 Sighting tube installation of main dam river channel

表1 主坝各沉降点沉降量特征值统计表（单位：mm）Table 1 Statistics of settlement eigenvalue of each settlement points of main dam（Unit: mm）

表2 主坝轴线坝顶标点(土心)累计沉降量特征值统计表（单位：mm）Table 2 Statistics of accumulative total settlement eigenvalue of dam crest sign (soil core) of main dam axis (Unit: mm)

通过对表1 和表2 的分析得出以下结论： 在运行初期，曲线坡度陡、年际沉降差值大，说明沉降速度快；运行后期，曲线坡度缓、年际沉降差值小，说明沉降速度变慢。1992 年以后，沉降曲线趋于平缓，年际沉降差值更小，每年的沉降量为0.1～4.8mm，仅为坝高的0.00034～0.016%，小于“稳定沉降量0.02%”的标准，说明目前坝体沉降趋于稳定状态。

主坝总体沉降趋势为：沿坝轴线方向，主河槽段沉降较小，南岸台地段沉降量较大，两坝肩沉降量较小。 经分析，其原因是：主河槽段基岩主要为云母石英片岩、弱风化斑状角闪片岩，表层为弱风化层，变形量小，而南岸台地段坝基为较厚的中重粉质壤土，压缩性相对较大，坝体从坝肩到主河槽段和台地段总体沉降量均匀。 在垂直坝轴线方向，坝轴线沉降量最大，在89.5 m 处较大，84.5 m 次之，76.5 m 处沉降最小，因为坝轴线回填土最厚，76.5 m 处回填土最薄。 在89.5m 处上游，沉降量比下游小，因上游填筑的砂砾石厚度大，代替料厚度小，而下游填筑的砂砾石厚度小，代替料厚度大。 综上所述，说明不论从顺坝轴线方向，还是从垂直坝轴线方向，主坝坝体总体沉降反映了不同坝高、不同填料及不同坝基地层与沉降量大小的变化规律， 而且沉降量在坝轴线两个方向的变化是均匀的、渐变的。

2.3 主坝水平位移观测资料分析

分析各观测点历年累计水平位移量（表3～表4），可得出以下结论：1977～2002 年间，上游89.5 m 高程处的4 个标点累积位移量为＋11.5～-2.5 mm（向上游为正，向下游为负），坝顶轴线处7 个标点的累积位移量在＋51.8～-11.8 mm 之间，其中6 个点位移偏向上游。 这是反常的。 坝下游84.5 m、76.5 m 高程处的6 个标点的累积位移量为-14.5 mm～-2.0 mm， 均偏向下游，说明下游坝坡有下滑的趋势。

根据以上分析，可以得出以下结论：沿坝轴线方向，主河槽段坝体填筑高度较大，沉降量较小，而南岸台地段坝体填筑高度小，沉降量却相对较大，这是因为南台地段坝基为较厚的中重粉质壤土，经过长期排水固结，因而沉降量大，大坝总体沉降量偏大。

3 主坝稳定性复核

3.1 坝坡复核断面的选取

根据主坝坝高、坝体结构和地基的不同情况，选取0+140 和0+400 两个典型断面进行计算。 0+140断面代表主河槽段最大坝高断面，坝基为斑状角闪片岩；0+400 代表南岸台地段， 坝基为中重粉质壤土。

表3 主坝上、下游89.5m 高程处各观测点历年累计位移量特征值统计表（单位：mm）Table 3 Statistics of cumulative displacement eigenvalue over the years of each observation points at the elevation of 89.5m of upstream and downstream of main dam (Unit: mm)

表4 主坝各观测点历年累计位移量特征值统计表（单位：mm）Table 4 Statistics of cumulative displacement eigenvalue over the years of each observation points of main dam (Unit: mm)

3.2 主坝坝顶结构稳定复核

五岳水利枢纽主坝当前坝顶高程为93.7 m，顶宽5.5 m，黏土心墙顶宽3.0 m，顶部高程93.0 m，心墙轴线与坝轴线距离0.85 m，偏向上游。 1976 年水库续建加固时，在坝顶上加筑0.2 m 厚的路面（加固前坝顶高程为93.50 m），同时将原1.3 m 高的浆砌石防浪墙改建为混凝土防浪墙， 防浪墙顶高程为95.00 m。 荷载组合为结构自重、土重、土压力、汽车荷载（公路－Ⅱ级）。

防浪墙稳定的控制情况为墙前无水、 墙背附近有汽车。 采用的指标为：墙后回填土的内摩擦角φ=32°，c=20 kPa；浆砌石与填土摩擦系数f=0.33，浆砌石密度ρ=2.3 g/cm3，黏土湿密度ρ=1.86 g/cm3。 计算结果见表5。 下游路肩稳定的控制情况为墙前无水，墙附近有汽车 （公路－Ⅱ级）。 计算结果列于表5中。 从表中可知：在公路－Ⅱ级汽车荷载时，防浪墙抗滑、抗倾安全系数满足规范要求，路肩抗滑、抗倾稳定安全系数均不满足规范要求， 基底已出现了拉应力，而浆砌石不允许出现拉应力。

表5 防浪墙和路肩结构安全复核表Table 5 Verification of wave wall and road shoulder structures safety

3.3 坝坡稳定性复核

根据有关“规范”的规定，五岳水库总库容为1.22 亿m3，工程等别为Ⅱ等，属大(2)型水库，主要建筑物为2 级建筑物，次要建筑物为3 级建筑物。

3.3.1 计算工况

（1）上游坡。 在正常运用条件下，库水位分别为设计水位、 现状水位和最不利水位时（考虑汽车荷载）。 在非常运用条件下， 库水位由校核水位91.53 m 突降至78 m 高程(死水位)；

（2）下游坡。 在正常运用条件下，上游库水位为设计水位、现状水位在坝体形成稳定渗流（考虑汽车荷载）。 在非常运用条件下，上游库水位为校核水位，在坝体形成稳定渗流。

水库地区地震基本烈度为6 度， 按照抗震规范的规定，不进行抗震计算。

3.3.2 计算方法

采用简化毕肖普法计算。 按有关“规范”要求，2级建筑物正常运用条件安全系数K≥1.35， 非常运用条件（无地震荷载）安全系数K≥1.25。

3.3.3 计算结果

主河槽0+140 断面处上、下游坝坡稳定分析(校核水位)计算结果见图2，复核计算成果见表6。

图2 主河槽0+140 断面上、下游坝坡稳定计算(校核水位)Fig.2 Stability calculation of dam slope of upstream and downstream in main river channel at(0+140) section

从整体情况看，坝体上游坡度较陡，下游坡度84.5m 高程平台以上坡度较陡，仅有1∶1.9。 从坝坡稳定计算结果看， 主坝上游坡在正常运用条件下安全系数K 值都能满足规范要求，但在非常运行条件下，其安全系数均小于1.25，坝坡不稳定；下游坡在正常运用条件和非常运行条件下， 整体抗滑安全系数和一级平台以下局部安全系数均小于1.25， 说明下游坝坡不稳， 这与水平位移观测资料分析结果下游坝坡有下滑的趋势是一致的。

表6 五岳水库主坝稳定计算成果表Table 6 Main dam stability calculation of Wuyue reservoir

4 结语

（1） 沿坝轴线方向， 主河槽段坝体填筑高度较大，沉降量较小，而南岸台地段坝体填筑高度小，沉降量却相对较大。防浪墙抗滑、抗倾安全系数满足规范要求。 （2）路肩抗滑、抗倾稳定安全系数均不能满足规范要求(基底已出现了拉应力)。 （3）主坝上游坡在正常运用条件下安全系数K 值能满足规范要求，但在非常运行条件下安全系数K＜1.25，不能满足规范要求。（4）主坝下游坡在正常运用和非常运行条件下安全系数K＜1.25，均不能满足规范要求。 （5）根据复核结果和《水库大坝安全评价导则》的评价标准，主坝结构安全综合评价为C 级。

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[2]SL258-2000，水库大坝安全评价导则[S].

[3]SL252-2000，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[4] 土坝裂缝及其观测分析[M].北京：水利水电出版社，1979.