砂岩压重对病险土石坝坝坡稳定性影响分析

凌华东

（江西华东龙源建设有限公司，江西 景德镇333400）

我国中小型病险水库数量有近6万余座，病险水库一般指结构安全鉴定为3类的坝体，通常结构安全鉴定发现存在的最主要问题是坝体结构稳定和坝体渗流稳定。而坝体不稳将直接影响下游人民的生命和财产安全。时铁城等［1］采用有限元法计算了英布鲁水电站土石坝在水位骤降条件下的非稳定渗流场和安全系数，发现上游坝坡的安全系数不满足规范要求；罗春等［2］发现库水位骤降工况下，上游水位的变化对坝体渗流量的影响较大，库水位急剧降落易使浸润线形成逆向渗流形态，最终造成土石坝坝坡稳定性的降低；尹吉娜等［3］通过模拟计算水位变动下的坝体渗流场，发现水位降速越快，浸润线最高点越高，逆流越明显，上游坝坡稳定性越差，恢复至稳定的时间越久。

目前有关土石坝除险加固方面的研究，主要以大中型土石坝工程为主，针对小型均质坝的研究相对较少［4-6］。坝坡不稳的处理措施通常是坝体加高培厚，放缓坡度，而砂岩料充分的土石坝工程采用当地砂岩料压重坡脚的加固措施是一种既有效又经济的处理方案。因此，本文以某典型的小型水库大坝为例，针对其上游坝坡不稳的问题，拟采用砂岩压重的措施进行处理加固，计算加固后的上游坝坡在不同运行工况下的安全系数、滑裂面及浸润线，并与加固前的稳定计算结果进行对比，分析砂岩压重上游坝坡设计方案的可行性及有效性。

1 工程概况

某水库工程流域集雨面积0.561km2，现状正常蓄水位371.85m，正常库容55.6万m3，设计洪水位372.33m，对应库容61.9万m3，校核洪水位372.58m，总库容65.3万m3，兴利库容35.3m3。该水库是一座以农业灌溉为主的小（2）型水库，设计灌溉面积33.33hm2，有效灌溉面积8.53hm2，枢纽工程主要由大坝、溢洪道、放水设施3部分组成。现状水库大坝为均质土坝，坝顶高程373.10m，坝顶宽4.5m，坝高11.1m，坝底高程362.00m，无防浪墙；大坝上游坝坡坡比1∶1.65，下游坝坡坡比1∶1.75，排水棱体顶部高程364.50m，排水棱体干砌石结构，坡比1∶1。

加固前的大坝坝坡5种计算工况为：①工况1：由正常蓄水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡；②工况2：设计洪水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡；③工况3：校核水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡；④工况4：由校核水位骤降至正常蓄水位形成非稳定渗流期的上、下游坝坡；⑤工况5：由正常蓄水位骤降至死水位形成非稳定渗流期的上、下游坝坡。

根据前期大坝安全鉴定结果可知，加固前大坝坝坡抗滑稳定安全系数如表1。

表1 加固前大坝坝坡抗滑稳定安全系数

由表1可知，大坝上游坝坡在各种运行工况下稳定性较差，均小于规范允许值；特别是在工况5，上游坝坡安全系数仅有0.98。说明上游坝坡存在失稳可能，而下游坝坡稳定性较好，因此需重点加固上游坝坡。

结合工程实际情况，本次大坝除险加固设计拟采用砂岩压重上游坝坡的方式，提高上游坝坡的稳定性。上游坝坡加固设计方案为：压重体顶宽5m，迎水面坡比1∶2，高度3m，如图1。

图1 上游坝坡设计方案

2 研究方法及计算参数

土石坝的稳定性计算主要考虑水位以上坡体的渗流压力，而水位以下部分，将坡面以上水体视为一种有重度无强度的特殊材料，本次坝坡稳定计算采用Bishop简化条分法［7］。

结合大坝工程地质条件，采用河海大学开发的AUTO-BANK软件计算分析坝体内的浸润线分布，并将计算结果导入边坡稳定性计算模块中，运用块体极限平衡法进行稳定性计算，即可获得不同运行工况下大坝坝坡的稳定安全系数［8］。根据坝体取样及室内土体试验报告建议参数取值，坝体二维渗流稳定计算主要物理力学参数如表2。

表2 坝体材料主要物理力学参数

3 计算结果分析

根据表1的5种不同运行工况，采用极限平衡法中的简化毕肖普法计算了上游坝坡采用砂岩压重处理后的坝坡稳定安全系数及相应的浸润线和滑裂面，如图2，表3。

图2 加固后抗滑稳定计算结果

表3 加固后抗滑稳定安全系数

分析可知，上游坝坡坡脚采用砂岩压重处理后，5种工况下大坝上游坝坡的安全系数增大明显，坝体稳定性显著提高，均满足规范要求。本工程在加固前上游坝坡在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、校核洪水位降至正常蓄水位和正常蓄水位情况下，骤降至死水位时，安全系数分别为1.19，1.20，1.23，1.14，0.98；而采用砂岩压重处理后5种工况对应的上游坝坡安全系数分别增加到1.41，1.53，1.58，1.47，1.27。说明除险加固设计采用的砂岩压重措施效果十分显著。

图3为加固前大坝稳定计算结果（正常蓄水位），对比加固后的计算结果表明，采用砂岩压重处理后，坝体内浸润线分布几乎没有变化，而加固前后上游坝坡滑裂面分布有明显差异。具体表现为加固前上游坝坡滑裂面起于下游坝坡坡顶位置，从上游坝坡坡脚位置剪出；加固后上游坝坡滑裂面同样起于下游坡面顶部，但剪出口位置上升明显，剪出口位于砂岩顶部平面与上游坝坡坡面的交点位置。

图3 加固前抗滑稳定计算结果

4 结语

（1）以某病险水库加固工程为例，针对其上游坝坡不稳问题，基于极限平衡法和非饱和渗流理论提出采用砂岩压重进行处理的加固措施，对加固后的上游坝坡进行抗滑稳定计算分析。

（2）按照设计方案采用砂岩对上游坝坡压重处理后，5种运行工况下对应的上游坝坡安全系数增大明显，坝体稳定显著提高，说明除险加固设计采用砂岩压重措施是可行的。

（3）采用砂岩压重处理后，坝体内浸润线分布几乎没有变化，而加固前后上游坝坡滑裂面分布有明显差异，加固前上游坝坡滑裂面起于下游坝坡坡顶位置，从上游坝坡坡脚位置剪出，加固后的剪出口位置上升明显，剪出口位于砂岩顶部平面与上游坝坡坡面的交点位置。