某土石坝安全计算分析与评价

白正广

【摘 要】本文针对某高土质心墙堆石坝进行了渗流、稳定和应力变形分析。结果表明，坝体、坝基的渗漏量和渗透比降很小，浸润线位置也很低；各工况坝坡最小安全系数均达到规范要求；各工况坝体小主应力均大于0，应力水平小于1，心墙在蓄水期和运行期不会产生水力劈裂，大坝结构设计和坝料设计合理，大坝整体安全可靠，但防渗墙和廊道应力较大，需加以注意。

【关键词】土石坝；渗流分析；坝坡稳定分析；应力变形分析

0 引言

某水电站挡水建筑物为土质心墙堆石坝，最大坝高112m。水库总库容为7.26亿m3，装机规模为150万千瓦，根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，该工程为一等大（1）型工程，挡水建筑物为1级建筑物。根据地震安全性评价，工程区地震基本烈度为Ⅷ度，大坝抗震设防类别为甲类。本文通过对大坝渗流、稳定和应力变形的计算分析，论证了大坝结构设计、坝料设计和防渗设计的合理性，评价了大坝整体安全性，揭示了需注意的关键部位。

1 土质心墙堆石坝坝体剖面及分区设计

根据规范、工程经验及交通要求，坝顶宽度拟定为15m，坝顶长455m，最大坝高为112m。坝顶上游侧设置1.2m高的混凝土防浪墙，防浪墻底部深入心墙。大坝上游坝坡坡率初拟为1：2.0，下游坝坡坡率初拟为1：1.9，上游在2030m高程，下游在2040m、2000m高程各设一宽度为4.5m的马道。上游坝壳与围堰结合布置，采用石渣回填围堰与坝体之间的空间。心墙顶高程为2078m，顶部宽度为5m，心墙坡比为1：0.25。

根据坝壳各部分对强度、渗流的要求，并尽量利用开挖石渣料，对坝壳进行分区设计。上游坝壳设1个主堆石区，采用料场开采的花岗岩堆石料填筑，下游坝壳在过渡料下游设次堆石区，采用开挖料填筑，次堆石区外围为主堆石区，采用料场堆石料填筑。心墙采用碎石土料填筑，为提高两岸心墙对岸坡变形的适应性，提高抗渗能力，在心墙底部设厚度4m的高塑性土区，同时，为减少坝基廊道和防渗墙承受的坝体压力，增强心墙和廊道及防渗墙之间的变形能力，在廊道和防渗墙周边设厚度3.5m的高塑性土区。两岸心墙基础开挖到弱风化岩层，为了防止因基岩裂隙造成心墙底部土料在渗流作用下发生渗透破坏，在基岩面上设厚1m的混凝土盖板。心墙上下游各设两道反滤层，下游两层反滤层水平宽度各为6m，上游两层反滤层水平宽度各为4m。为防止坝基覆盖层基础产生渗透破坏，在心墙底部和下游坝壳底部设两层反滤层，每层厚度2.5m。在反滤和坝壳之间设水平宽度6m的过渡层。上游坝壳2060m高程以上坝面设厚度1m的抛石护坡，下游坝面采用厚度1m的干砌石护坡。

2 大坝渗流与坝坡稳定计算分析

对大坝进行了二维渗流有限元计算[1]。计算工况为上游为正常蓄水位，下游为最低水位的稳定渗流。计算采用最大断面。从大坝等势线图看，碎石土心墙和防渗墙组成的防渗体系起到很好的防渗作用，心墙和防渗墙内等势线集中，作用于坝体的渗透水头基本消减在心墙内，下游坝壳的浸润线与下游水位基本齐平，有效的控制了坝体浸润线。防渗墙消减了近65m 水头。设置防渗墙后，坝体和坝基的单宽渗流量只有7.97m3/d，防渗漏效果非常明显。心墙平均渗透比降为1.27，小于允许渗透坡降，虽然局部渗透比降大于允许值，但考虑心墙上下游设置有完善的反滤层，可避免渗透破坏的发生。坝壳堆石内渗透比降基本接近0，坝基的平均渗透比降为0.03～0.19，小于各层允许渗透比降，局部区域的渗透比降较大，但主要发生在覆盖层内部，不会造成坝基的渗透破坏。

根据规范[2]要求和工程实际情况，大坝坝坡稳定计算工况为：①在正常高水位和下游常水位下稳定渗流期；②死水位和下游常水位下稳定渗流期；③在正常高水位和下游常水位下稳定渗流期遇设计地震；④死水位和下游常水位下稳定渗流期遇设计地震；⑤正常高水位和下游常水位下稳定渗流期遇校核地震；⑥死水位和下游常水位遇稳定渗流期校核地震；⑦大坝竣工期；⑧库水位由正常水位快速降落至2015m。计算采用河床最大断面，浸润线采用二维渗流有限元计算结果，大坝稳定以毕肖普法计算出的安全系数来评价，设计地震的水平动峰值加速度代表值为0.38g，校核地震为0.46g。计算结果表明，各工况的坝坡最小安全系数均能达到要求。

3 大坝应力变形计算分析

采用比奥固结理论[3]，进行了大坝二维应力变形有限元计算。坝料和坝基覆盖层本构模型采用邓肯-张E-B模型。计算工况包括施工期、竣工期、蓄水期和运行期，计算中模拟施工分期加载过程和施工期、蓄水运行期库水位变化，坝体填筑分为20级，水荷载分为6级。计算模型共划分为3551个单元，5120个节点，防渗墙、廊道与坝料和覆盖层之间设接触单元。

（1）坝体沉降与水平位移。坝基覆盖层内含砾粗砂层分布厚度大范围广，该层变形模量小，受荷后压缩变形大。受河床覆盖层的影响，及防渗墙和廊道对土质心墙的顶托作用，坝体的最大沉降有两个区域，位于心墙上下游侧，并靠近河床面，竣工蓄水期分别为190cm和202cm，蓄水2年后增加至195cm和207cm。坝体最大水平位移也靠近河床面，蓄水后，整个坝体包括防渗墙下游侧覆盖层向下游位移了93cm，上游侧覆盖层向上游位移了20cm。心墙在竣工蓄水时，水平位移最大为95cm，指向下游，由蓄水引起的位移为30cm，位置靠近河床面。

（2）坝体应力。受覆盖层的影响，坝体未出现明显的拱效应现象。竣工蓄水期，最大主应力和最小主应力分别为2.38Mpa和0.95Mpa，出现在毗邻防渗墙的覆盖层底部，坝体小主应力均大于0，无拉应力出现。坝体的应力水平均小于1，在靠近坝体上游坡及防渗墙的上游侧达到0.75左右。

（3）坝体孔隙压力。由于心墙和坝基的渗透系数较大，施工期产生的超静孔隙压力消散很快，在蓄水期很快形成稳定渗流场。心墙发生水力劈裂是由于因拱效应造成心墙边界小主应力很低，心墙土料渗透系数小，在库水位上升较快下未能形成稳定渗流场，而产生较大的渗透梯度造成的。由于大坝拱效应现象不明显，心墙小主应力降低不明显，加上土料渗透系数较大，水库水位上升速度不大，不会在心墙边界形成较大渗透梯度。根据计算，心墙上游面的水头压力均小于小主应力，故发生水力劈裂的可能性较小。

（4）防渗墙和廊道的变形应力。防渗墙在竣工蓄水期顶部位移达到60.3cm，大主应力沿深度呈抛物线分布，最大值为35Mpa，发生在一半墙深偏上部位。小主应力局部小于0。廊道与防渗墙刚性连接，在防渗墙顶托和心墙重量作用下，应力较大，大主应力最大达到23.6Mpa，小主应力为拉应力，最大6.8Mpa。

4 结论

大坝安全计算分析表明，坝址河床覆盖层采用全断面混凝土防渗墙是可行的，无论是坝基渗漏量还是坝体和坝基的渗透比降都很小，下游坝壳的浸润线位置也很低。大坝在各种工况下的坝坡最小安全系数均达到规范要求。心墙在蓄水期和运行期不会产生水力劈裂，覆盖层力学性状对坝体应力变形影响较大，坝体各工况的小主应力均大于0，坝体应力水平小于1，但防渗墙和廊道应力较大，需加以注意。计算表明大坝结构设计和坝料设计是合理的，大坝是安全可靠的。

【参考文献】

[1]毛昶熙.渗流计算分析与计算[M].北京：水利电力出版社，1990.

[2]中华人民共和国行业标准编写组.DL/T 5395-2007 碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国电力出版社，2008.

[3]林继镛.水工建筑物[M].4版.北京：中国水利水电出版社，2009.

[责任编辑：薛俊歌]