江西九江马头水库大坝坝坡稳定性分析及加固设计

赖先华

(九江市水利电力规划设计院，江西 九江 332000)

0 前言

马头水库位于柴桑区马回岭镇马头村，距离柴桑区城区27 km，紧靠昌九高速、南浔铁路，座落于鄱阳湖水系博阳河支流庐山河，是一座以灌溉、防洪为主，兼顾发电、养殖的重点中型水利枢纽工程，主要建筑物有主坝、1#隧洞、2#隧洞、坝下涵管及1#隧洞出口引水电站(机组已拆除)等。

2010年4月8日，在例行的大坝巡查中，在主坝L型排水棱体上桩号0+600边缘发现一个2.0×2.0 m2、深约1.2 m的塌坑，后经观察及回填处理，塌坑未发现异常；2011年5月7日，在连续的降雨过程中，水库管理处办公楼后方山体发现一处小范围的滑坡。后经在山体设置挡墙，险情未进一步扩大。为确保大坝后期的运行安全，本文针对马头水库大坝坝坡展开稳定性分析。

1 工程现状

马头水库位于柴桑区马回岭镇，距县城27 km，座落于鄱阳湖水系博阳河支流庐山河。主坝两岸为丘陵地形。主坝左岸为牛头山，山顶高程164.00 m，山势险峻，山坡稳定性差，常见滑坡、崩塌，悬崖地貌，造成主坝与山坡接触条件差，对泄洪隧洞稳固性有很大影响。主坝右岸是马头山，山顶高程130.50 m，为宽约100 m的短条形山，现被当地农民开辟为采石场，影响库岸稳固。根据大坝地质勘查、安全鉴定，马头水库大坝存在以下问题：①上游坡面混凝土预制块护坡较平整、干砌石护坡局部风化缺失；下游干砌石护坡局部架空不完整等问题；②混凝土预制块护坡较平整，无明显破损、裂缝等现象，局部勾缝处长有杂草；干砌石护坡外观平整，未见明显塌陷，局部风化缺失，块石缝间杂草较多；③下游坝坡高程89.40 m处设一级马道，宽3.0 m，下游坡比自上而下分别为1∶2.5、1∶2.75，均为干砌石护坡；干砌石护坡局部架空不完整；上坝台阶混凝土破损、裂缝众多；坝脚压浸平台出现1处约4 m2的塌坑。

2 大坝坝坡现状稳定性分析

2.1 相关参数及计算方法

(1)稳定安全系数确定

马头水库枢纽工程等级为Ⅲ等，永久性主要建筑物为3级，当主坝处于正常运行条件时，采用简化毕肖普法所要求坝坡最小抗滑稳定安全系数为1.30，当主坝处于非常运用条件时，简化毕肖普法所要求的坝坡最小抗滑稳定安全系数为1.20。

(2)计算断面和计算参数确定

1)计算断面

根据主坝的现场安全检查结果，结合坝体和坝基的地质情况及地质勘察成果，并考虑偏安全的因素，渗流计算选取的计算断面为0+100断面、0+300断面。

2)计算参数确定

本次主坝稳定复核中主坝坝体填土的物理力学指标和抗剪强度指标的确定以初设阶段地勘报告为依据，具体见表1。

表1 主坝填筑土料力学指标表

3)坝坡抗滑稳定验算

根据工程的实际情况，坝坡稳定验算考虑设计工况为：①库水位为正常蓄水位94.40 m时形成稳定渗流期的下游坡；②库水位为设计洪水位98.18 m时形成稳定渗流期的下游坡；③正常蓄水位94.40 m骤降至死水位水位74.0 m时形成非稳定渗流期的上游坡。

4)计算方法

按《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)，对3级建筑物，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法进行计算。计算中抗剪强度指标在计算下游坡的抗滑稳定时采用有效应力参数；在计算上游坡的抗滑稳定时分别采用有效应力和总应力参数[1]。

计算采用北京理正软件设计研究院开发的“边坡稳定分析软件5.11版”。

水位降落期总应力法计算公式：

稳定渗流期和水位降落期有效应力法计算公式：

式中：b为条块宽度；W为条块实重，W=W1+W2+γwZb；W1为在坝坡外水位以上的条块实重；W2为在坝坡外水位以下的条块浮重；Z为坝坡外水位高出条块底面中点的距离；u为稳定渗流期或水库水位降落期坝体或地基中的孔隙压力；ui为水库水位降落前坝体中的孔隙压力，按渗透系数小值平均值计算；β为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角。C′为土体的有效凝聚力；Φ′为土体的有效内摩擦角。

式中：ai为土条滑动面与水平方向的夹角。

2.2 稳定计算结果

现状大坝坝坡稳定计算成果见表2。

由表2可知，主坝桩号0+100断面在设计洪水位稳定渗流期的下游坡(K=1.295)、正常蓄水位降至的死水位的大坝上游坡(K=1.181、K=1.068)，主坝桩号0+300断面在正常蓄水位稳定渗流期坡的下游坡(K=1.232)、正常蓄水位降至的死水位的上游坡(K=1.172)等工况下坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范允许值(K=1.30)，即稳定性不满足规范要求；其它工况下的坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

表2 现状坝坡稳定安全系数计算成果表

3 坝坡加固设计

为防止主坝加高培厚段坝身受风浪淘刷及雨水冲刷，上游坡采用干砌块石护坡与砼预制块护坡进行择优选用，下游坡采用草皮护坡。

3.1 护坡厚度计算

干砌石护坡厚度按《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)中A.2.1公式计算：

Q=0.85Q50=0.525PKD3

式中：D为石块的换算球形直径，m；Kt为随坡比变化的系数，查表取值主坝1.4；ρk为块石密度，t/m3；ρw为水的密度，t/m3；m为坡度，m=2.5；hp为累积频率为5%的设计波浪高度，m；t为护坡厚度，m。

砼预制块护坡厚度，按《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)中A.2.3式计算：

式中：η为系数，对整体式大块护面板取1.0，对装配式护面板取1.1；hp为累积频率为1%波高；b为沿坝坡向板长，m；ρc为板的密度，取2.4 t/m3；m为坡度，m=2.5；t为砼护坡厚度，m。

二种护坡型式厚度计算结果见表3。

表3 主坝护坡厚度计算成果表

根据计算结果，参照其它工程经验及满足施工要求，干砌块石护坡厚度取30 cm，砼预制块护坡主坝取15 cm。

3.2 护坡型式比选

通过护坡厚度计算，主坝上游护坡采用厚15 cm，边长30 cm正六边形预制块护坡和厚度30 cm干砌块石进行比较，护坡下均设置10 cm厚砂卵石混合料垫层，其工程量投资比较见表4。

表4 主坝护坡型式单位面积投资比较表

由表4可知，砼预制块护坡方案投资较干砌石护坡稍小，且砼预制块护坡上具有施工速度快、美观、耐久性好的优点，适用于施工周期短的除险加固工程，故选用砼预制块护坡。

4 结语

土石坝是我国水利工程的重要的堤坝形式，保证堤坝的稳定性对于我国的经济效益和社会效益具有重要的意义。根据上述分析，大坝主坝上、下游坡抗滑稳定均不满足要求；主坝上游干砌石护坡局部风化缺失，下游干砌石护坡局部架空不完整，坝脚压浸平台出现塌坑。主要原因可能是由于马头水库大坝清基不彻底，坝体施工填筑质量差，坝体中存在高程不一的软弱夹层等问题，导致坝基、坝肩及坝体渗漏较为严重，危及大坝的抗滑稳定安全，使得主坝存在诸多安全隐患，须采用相应措施对其进行除险加固。