南沙河水库大坝结构安全分析

刘 涛

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

1 工程概况

南沙河水库属小（一）型水库。枢纽工程包括大坝、溢洪道和泄洪洞工程。大坝为均质土坝，最大坝高33 m，坝顶宽18 m，坝长220 m，无排水设施。溢洪道位于大坝左端，为桥涵式溢洪道，进口由4孔桥式涵洞组成，进口底高程912 m，涵洞长19.5 m，每孔净宽2.4 m，墩高0.7 m，拱高0.7 m，出口无消能设施。泄洪洞位于大坝右端，钢筋混凝土箱式涵洞，断面尺寸2.2 m×2.2 m，为无控制的自由泄水，进口底高程900 m，出口底高程898.7 m，纵坡为2%，洞长约65.0 m，设计最大流量40 m3/s。

2 大坝变形分析

经鉴定，南沙河水库大坝施工质量不合格。坝体填土过程中对上坝土料的铺垫厚度及碾压次数控制不严格，且常有冻土埋入，无洒水、刨毛程序，填土干容重各部位和层次差别较大，孔隙率较高，无现场干容重检测，大坝回填土干密度较低且极不均匀，说明土坝工程质量很差。通过探坑和探井取样进行土工试验分析，土坝干密度低，平均仅1.53 g/cm3。坝体土主要为低液限粉土，局部为低液限黏土，土质不均匀，干密度偏低，多具中等压缩性，部分坝体土具湿陷性，坝体质量较差。本次校核，坝坡较原设计变形严重，坝体上游坝坡基本完好，下游坝坡杂草丛生，垃圾成堆，而且纵横排水系统已损坏，无法起到排水作用。此外，坝体中发现有鼠洞，对大坝稳定不利，坝基未做任何防渗处理，有渗漏现象。

溢洪道出口段为土渠，抗冲刷能力弱，易形成冲刷坑，而且现有溢洪道出口处泄洪不畅，有1个孔及溢洪道部分被垃圾完全堵塞，影响正常泄洪。

泄洪洞埋置于坝体内，箱涵多处损坏，混凝土受损剥离，钢筋外露，存在漏水问题。漏水有可能沿泄洪洞洞身与坝体土接触处渗流，坝体土存在接触冲刷隐患，对坝体稳定不利。

左坝肩上部为土质岸坡，岩体稳定性较好，经现场检查，没有发现不良现象。因左坝肩岩体中节理裂隙较发育，且有不同程度的张开，具中等透水性，级配不良砾和砂岩岩层为库水渗漏层位，左坝肩存在绕坝渗漏问题。右坝肩上部为土质岸坡，岩体较稳定，经现场检查，没有发现不良现象。因右坝肩砂岩岩体中节理裂隙较发育，且有不同程度的张开，为库水渗漏通道，右坝肩存在绕坝渗漏问题。

此次水库变形复核结果表明，大坝坝顶南高北低，高程在913.5～919.7 m，大坝中间段高程915.1～915.5 m，基本维持原设计坝高915 m。溢洪道由开敞式溢洪道改建为桥涵式溢洪道，经现场测量，结构断面尺寸基本维持原状，没有发生明显变形。

库区淤积较严重，目前实测库区近坝库底高程约900 m左右，基本与泄洪洞进口底板高程相同，库区淤积厚达7.5 m左右。

3 大坝稳定分析

3.1 稳定计算工作条件

本次勘察在坝顶布置2个钻孔，坝坡布置2个探井，共取原状土样36组，进行室内土工试验。

颗粒组成：坝体土属粉土，干密度1.53 g/cm3，最小值1.29 g/cm3，土粒比重2.70，其天然含水率7.9%～25.5%，平均值17.4%。从防渗能力考虑，渗透系数平均 1.80×10-5cm/s，大值平均值 4.03×10-5cm/s，为弱透水性。孔隙比均值0.707，压缩系数均值0.23 MPa-1，具中等压缩性。

坝体土在一定水力坡降下，发生渗透变形，形式为流土，其允许坡降确定为：当渗流自下而上渗出时，临界坡降J按下式确定：

式中：GT——土粒比重，取2.70；

n——孔隙率，取41.4%。

将数值代入上式得J临界＝0.996，安全系数为2.0，则 J允许＝0.498。

3.2 稳定计算方法

本次坝体稳定计算选用北京理正软件公司设计的边坡稳定分析计算软件进行计算，计算方法为圆弧法中的简化毕肖普法，采用有限元方法计算公式和稳定渗流期有效应力法，具体公式为：

式中：k——坝坡稳定安全系数；

b——条块宽度，m；

w1——在坝坡外水位以上的条块实重，kN；

w2——在坝坡外水位以下的条块实重，kN；

μ——稳定渗流期或库水位降落期坝体或地基中的孔隙水压力，kPa；

z——坝坡外水位离条块底面中点的距离，m；

β——条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；

rw——水的重度，kN/m3；

c′，准′——土的抗剪指标。

3.3 稳定计算参数确定

鉴于水库的工程地质特点,本次大坝安全复核计算参数的选取主要根据本次对坝体挖探坑取土样试验成果资料及以往建库经验并参考有关文献资料进行取值，见表1。

表1 土坝稳定计算物理力学指标采用值

3.4 坝坡稳定计算结果

由于本次复核水库防洪标准不达部颁标准，故本次大坝坝坡稳定复核以水库现状可达标准进行复核分析计算，即对水库正常运用情况（库水位为正常蓄水位911.5 m）坝体形成稳定渗流时上下游坝坡的稳定情况、非常运行情况（库水位从校核水位913.5 m降落到汛限水位910.5 m）时上游坝坡稳定情况和校核水位913.5 m时下游坝坡的稳定情况两种工况进行分析计算。计算结果见表2。

表2 大坝稳定分析计算成果表

3.5 坝坡计算成果分析

本次计算主要以大坝最大剖面进行。根据计算成果所制的坝坡在各种情况下的滑弧图分析可知，在库水位达到汛限水位910.5 m和校核水位913.5 m时，坝内浸润线在下游后坝坡出逸，到下游坡脚剩余水头最大为0.421，但水力坡降为0.864，远大于坝体土允许水力坡降0.498。其原因有以下几个方面：一是坝体土填筑质量较差，坝体土干密度较小，渗透系数较大；二是坝基座落在砂砾石层上，其渗透系数较大，约是坝体土的480倍，由于下游排水不畅，导致浸润线以下坝体土处于饱和状态，相应抬高坝址区地下水位。从坝坡稳定计算结果来看，上游坝坡在正常运用情况和非常运用情况抗滑稳定的最小安全系数分别为3.139和3.8，满足规范要求；下游坝坡在两种运用情况抗滑稳定的最小安全系数分别为1.11和1.096，均不满足规范要求，因此大坝在正常和非常运用情况下游坝坡是不稳定的。

4 结语

经分析计算，南沙河水库大坝坝基存在严重的渗透变形隐患，坝体施工质量较差，下游坝坡不稳定，且由于乱倒垃圾，已失去原有坝型，存在高水位情况下因坝基渗透破坏造成的坝体失稳隐患，建议尽早进行除险加固。