白草坪水库主坝渗流稳定和结构稳定分析

□白 川

白草坪水库位于河北省赞皇县西部山区，槐河干流上游，属于中型水库，是槐河防洪的骨干工程，自建库以来，拦蓄洪水多次，防洪效益高达数十亿元，为保护水库下游赞皇、元氏、高邑等县数十万人口，京广铁路、京深高速公路及许多重要城镇、厂矿企业人员生命及财产安全，故对其进行安全鉴定，确定水库主坝是否需要采取除险加固等工程措施。

1.工程概况

白草坪水库是1 座以防洪、灌溉为主，结合发电、养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。水库总库容4492 万m3，调洪库容1641 万m3，兴利库容2387万m3，死库容120 万m3。水库枢纽工程主要由主坝、副坝、正常溢洪道、非常溢洪道、输水洞和水电站等建筑物组成。

主坝为以黏土为主的混合坝，坝顶高 程297.0～298.0m，顶 宽5.0m，设 有0.2～1.2m 高的浆砌石防浪墙，最大坝高42.0m，坝顶长550.0m，坝基设黏土截水槽。大坝上下游坝坡均为干砌石护坡，上游坝坡在高程283.0m 处设1 条3.0m宽的马道，马道以上边坡为1∶2.6，以下边坡为1∶3.0 至高程279.0m，设6.0m 宽马道，279.0m 马道以下边坡为1∶3.5 至高程275.0m，设8.0m 宽马道，275.0m 马道以下边坡为1∶3.5 至高程268.0m，设10.0m 宽马道，268.0m 马道以下边坡为1∶2.0 至坝底；下游坝坡在高程285.0m和272.0m 处各设一条2.0m 宽的马道，高 程285.0m 以 上 坝 坡 为1∶2.0，高 程285.0～272.0m 边 坡 为1∶2.65，高 程272.0m 以下边坡为1∶2.75m。上游坝坡结构共分4 层，由内而外分别为：20.0cm 厚砂垫层、60.0cm 厚砂卵石、30.0cm 厚碎石、40.0cm 厚干砌石。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）规定，白草坪水库为中型水库，工程等别确定为Ⅲ等，其大坝、溢洪道、输水洞等主要永久性建筑物级别为3 级，次要永久性建筑物级别为4 级。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）及《防洪标准》（GB50201-2014）规定：水库设计洪水标准为100 年一遇，校核洪水标准为1000 年一遇。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），白草坪水库地震动峰值加速度值为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度。

2.工程地质条件

地质钻探揭露坝址处基岩以太古代（γ1）侵入花岗岩为主，局部有早元古代呈脉状侵入的辉绿岩（ν21），主坝南段坝底局部分布有第四系中更新统冰碛（Q2g1）泥砾及冲洪积（Q2al+pl）粉 质黏 土，主坝下游及马峪沟河床覆盖层为第四系全新统冲洪积（Q2al+pl）卵石，坝体为人工填筑（Qm）粉质黏土及粉土。

主坝砂卵石坝基防渗采用黏土截水槽，截水槽位于约1/2 坝底宽度处，截水槽底部与相对不透水层基岩接壤，截水槽底宽7.0m，高13.0m，两侧边坡均为1∶0.54。截水槽黏土平均渗透系数为3.81×10-5cm/s。主坝砂卵石坝基渗流控制选形、截水槽尺寸及截水槽土体材料物理性质均满足《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）要求。

主坝南段坝底局部分布有第四系中更新统冰碛（Q2g1）泥砾，具一定透水性，该段基岩为中等风化花岗岩，岩心较为破碎，有节理裂隙发育，针对此问题2003 年水库除险加固工程采取对主坝南段基岩裂隙、泥砾层、坝体与地基接触面进行灌浆处理措施。经现场检查，主坝南段下游台地排水沟内未发现渗水现象。

3.渗流分析

3.1 渗流现场检查

经现场检查，主坝下游排水沟内未发现渗水现象。

3.2 渗流监测资料分析

水库在2003 年除险加固工程实施以前，测压管水位长期表现异常，大部分测压管水位与库水位不相关，甚至出现长期高于库水位的异常现象，且测压管水位与降雨量关系密切，当库区降雨量较大时，测压管水位出现短期的上升，随后又很快回落至降雨前水位附近。2003 年水库除险加固工程针对此异常现象进行了分析，分析结果为坝体内存在含水量较高的高饱和度土层，在坝体内形成滞水，导致测压管水位长期表现异常。针对此问题除险加固工程提出对坝体内高饱和度土层采取打井强排措施处理。

此次将收集到的2005、2010、2015、2016 年渗流观测资料与2003 年除险加固工程之前1999 年的渗流观测资料进行对比分析。2005 年、2010 年测压管水位基本上随库水位的变化而变化，说明2003 年除险加固工程采取的措施是可行有效的，2015、2016 年部分测压管出现异常现象，且与降水量关系密切。分析主要有两种可能：一是坝体内仍存在高饱和度土层，形成滞水，造成部分测压管水位高于库水位。二是测压管管口封闭不严，坝坡降雨流入管内，造成部分测压管水位受降雨量影响。

图1 主坝计算横断面图

由以上渗流观测资料分析，可得出以下结论：一是2003 年除险加固工程采取的措施对大坝渗流起到有利影响。二是坝体内仍存在高饱和度土层，导致部分测压管水位异常，且测压管水位受降雨影响较大，已不能反应坝体内浸润线的真实情况。

3.3 渗流计算分析

采用的物理参数。渗流计算参数采用坝体土物理力学实验成果，坝体主要为人工填筑粉质黏土，渗透系数为5.91×10-5cm/s，坝基为砂卵石及堆石，渗透系数为5×10-2cm/s。主坝计算断面见图1。

计算方法。坝体渗流计算采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构分析系统（autobank7.07）》，该程序已经通过了河海大学和黄委水利水电勘测设计院的联合测试。

计算工况。稳定渗流期：正常蓄水位288.0m 情况下的稳定渗流期；设计洪水位293.84m 情况下的稳定渗流期；校核洪水位296.16m 情况下的稳定渗流期。非稳定渗流期：正常蓄水位288.0m 降至死水位265.14m 情况下的非稳定渗流期；设计洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m 情况下的非稳定渗流期；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m 情况下的非稳定渗流期。

计算结果。稳定渗流期：正常蓄水位288.0m 渗透坡降计算值为0.20，小于渗透坡降允许值0.33；设计洪水位293.84m 渗透坡降计算值为0.25，小于渗透坡降允许值0.33；校核洪水位296.16m 渗透坡降计算值为0.27，小于渗透坡降允许值0.33。非稳定渗流期：正常蓄水位288.0m 降至死水位265.14m 渗透坡降计算值为0.16，小于渗透坡降允许值0.33；设计洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m 渗透坡降计算值为0.21，小于渗透坡降允许值0.33；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m 渗透坡降计算值为0.23，小于渗透坡降允许值0.33。

由以上分析可知，主坝在各工况下渗透坡降计算值均小于允许值，坝后设有大体积的棱体排水，可以起到有效反滤作用，坝体渗透稳定满足要求。

4.结构稳定分析

4.1 变形监测资料分析

对主坝下游285.0m 马道4 处观测点自2008～2016 年的观测资料进行整理并汇总，分析可知，主坝各观测点沉降量逐年减小，沉降过程规律正常，沉降已基本稳定。主坝最大累计沉降量82.7mm，沉降率0.2%。用沉降率指标判断大坝沉降量是否产生影响大坝安全的过大沉陷，一般情况下，土坝沉降量达坝高的3%左右，不致危及大坝安全。主坝的最大累计沉降量在允许范围之内。

4.2 坝坡抗滑稳定计算分析

采用的物理参数。大坝坝坡抗滑稳定计算参数采用坝体土物理力学实验成果，坝体主要为人工填筑粉质黏土，黏粒含量为16.4%～33.5%，平均值23.8%；塑 性 指 数8.4～14.1，平 均 值11.3；干 密 度1.57～1.69g/cm3，平 均 值1.64g/cm3；平均渗透系数5.91×10-5cm/s。

计算方法。白草坪水库主坝按均质土坝计算，坝体结构简单，采用不计及条块间作用力的瑞典圆弧法进行计算，允许最小安全系数按规范规定折减8%。本次计算软件采用河海大学工程力学研究所开发的水工结构有限元分析系统（AutoBank7.07）进行计算。

计算工况。正常运用条件：正常蓄水位288.0m 形成稳定渗流的上、下游坝坡；设计洪水位293.84m 形成稳定渗流的上、下游坝坡；正常蓄水位288.0m降至死水位265.14m，上游坝坡；设计洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m，上游坝坡。非常运用条件：校核洪水位296.16m 形成稳定渗流的上、下游坝坡；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m，上游坝坡。

计算结果。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，结合以上工况计算结果如下。正常运用条件：正常蓄水位288.0m 形成稳定渗流时上游坝坡安全系数计算值为1.828，下游坝坡安全系数计算值为1.579，大于安全系数允许值1.20；设计洪水位293.84m 形成稳定渗流时上游坝坡安全系数计算值为2.185，下游坝坡安全系数计算值为1.473，大于安全系数允许值1.20；正常蓄水位288.0m 降至死水位265.14m 时上游坝坡安全系数计算值为1.287，大于安全系数允许值1.20；设计洪水位293.84m 降至汛限水位288.0m 时上游坝坡安全系数计算值为1.625，大于安全系数允许值1.20。非常运用条件：校核洪水位296.16m 形成稳定渗流时上游坝坡安全系数计算值为2.283，下游坝坡安全系数计算值为1.424，大于安全系数允许值1.10；校核洪水位296.16m 降至汛限水位288.0m 时上游坝坡安全系数计算值为1.528，大于安全系数允许值1.10。

由以上分析可知，在各种工况下，主坝上、下游坝坡均能满足抗滑稳定要求。

5.结语

根据以上分析可得：白草坪水库主坝的渗流稳定和结构稳定均满足规范要求，因此，认为白草坪水库主坝结构安全。□