某小(1)型水库安全鉴定中大坝结构复核分析

赵 鑫

(河北富士工程咨询有限公司，河北 邯郸 056001)

1 工程概况

某小(1)型水库是一座Ⅳ等小(1)型水利工程，主要由大坝、输水洞、溢洪道等建筑物组成，大坝为粘土心墙坝，坝高32 m，坝顶长178 m，坝顶宽度6.0 m，总库容520万m3，是一座集农用灌溉、农村饮水兼顾下游防洪的综合水利工程。水库由原县农业局于1971年组织设计施工，1975年完工，当时还在推行“三边”经验，在施工过程中为节省投资，在心墙填筑至坝高20 m时，当时的工委会决定不再作粘土心墙，上部12 m改作均质坝，全部用坝左肩土填筑，可以保证大坝质量。在1984年和2008年间，水库进行过两次除险加固，其中，第一次除险加固对大坝22 m以上进行了开挖回填处理，并进行护坡整治，加固处理后大坝的防洪标准由原来的200 a一遇洪水校核提高为500 a一遇洪水校核。第二次除险加固对大坝迎水面放缓了二级坝坡，并对前坝坡出现的裂缝进行清除，重新夯填筑加固，坝顶防浪墙拆除重建，后坝坡修整，新修纵向及横向排水沟各两条。总结前后两次除险加固经验，由于当时推行的“三边”经验，以及当时资金和技术条件的限制，大坝工程质量问题一直是该水库面对的主要问题，本次进行安全鉴定时，应重点对大坝现状存在的问题进行梳理，并进行大坝结构及渗流稳定分析，为大坝除险加固提供一手准确资料，并提出对应的加固措施。

2 库区及大坝现状及问题分析

2008年除险加固中库区右岸进水塔架旁采用浆砌石砌筑，浆砌石挡土墙砌筑表观质量稍差，但无塌落，库区岸坡未见塌方或滑坡现象。上游坝坡采用干砌石卵石护坡，厚度为0.5 m，护坡干砌石不规则、零乱，上部有杂草生长，坝坡未见裂缝、坍塌等现象，现状情况见图1、图2。

图1 库区右岸塔架旁挡土墙现状图

图2 上游坝坡现状图

坝顶上游侧设浆砌块石防浪墙，墙高1.3 m，宽度较均一，轮廓较完整，但有多处裂缝，面层有起皮现象，坝顶道路铺设仿石砖，较平整，有杂草生长。现状情况见图3。

图3 坝顶防浪墙、坝顶道路现状

下游坝坡在高程2227.5 m、2217.5 m各设宽1 m的平台，两侧设踏步。后坝坡草皮护坡杂草丛生，排水沟损毁严重，坡脚排水棱体只露出顶部，后坝坡及坝脚未发现渗水现象。现状情况见图4。

图4 一级、二级马道及排水沟现状

3 大坝安全复核分析

3.1 大坝边坡稳定复核分析

(1)计算方法及基本参数

本次大坝坝坡稳定复核选取大坝最大断面进行分析，大坝边坡稳定计算利用“理正土石坝边坡稳定分析程序”进行计算，用瑞典圆弧法和毕肖普法及JANBU法计算滑裂面的最小安全系数,用瑞典圆弧法画图中相应的滑弧位置，浸润线详见渗流计算[1-2]。坝体土料的物理学指标采用安全评价取样实验数据，排水棱体力学指标采用经验值，主要计算参数采用值见表1。

(2)计算工况

通过以往工程经验分析，大坝稳定计算按以下工况进行，计算时假设各种工况下能形成稳定渗流，计算工况如下：

表1 主坝填土物理力学指标

①正常蓄水位(2233.40 m)，下游无水时上、下游坝坡的稳定情况；②校核洪水位(2236.20 m)，下游无水时上、下游坝坡的稳定情况；③正常蓄水位(2233.40 m)，下游无水时，遇Ⅷ度地震时上、下游坝坡的稳定情况；④库水位从正常蓄水位(2233.40 m)骤降至死水位2213.40 m时，上游坝坡的稳定计算。

在以上四种工况下，上、下游坝坡最小安全系数见表2，滑弧位置见图5、图6。

图5 大坝上下游边坡稳定计算滑弧位置图(正常蓄水位遇7度地震)

图6 水库大坝上游边坡稳定计算滑弧位置图(水位骤降)

表2 大坝上、下游坝坡稳定计算结果表

水库大坝建筑物为Ⅳ等小(1)型工程，建筑物级别为4级，根据《碾压式土石坝设计规范》有关规定[3-4]，坝坡抗滑稳定的安全系数在正常运用条件下应≥1.25，在非常运用条件下应≥1.15及1.1。根据以上计算结果，上下游坝坡在各种计算条件下的稳定安全系数均大于规范规定值，满足规范要求。

3.2 大坝渗流稳定复核分析

本工程现状无任何渗流监测设施，水库渗流监测无法有效开展，通过近十年巡视检查记录分析，大坝背水坡及坝址无渗水坑、流土、管涌等现象。由于心墙直接坐落在棕红色砾岩上，基岩及岸坡段无渗漏问题，重点进行坝体渗流分析计算，计算采用Autobank7.5渗流软件[5-6]，结合《碾压式土石坝设计规范》，渗流计算分以下两种工况进行：

(1)正常蓄水位(2233.40 m)与下游最低水位；(2)校核洪水位(2236.20 m)与下游最低水位。

根据地质勘探资料，坝壳填筑料渗透系数垂直方向6.07×10-6cm/s，水平方向5.14×10-6cm/s，粘土心墙渗透系数垂直方向5.12×10-6cm/s，水平方向4.52×10-6cm/s。Autobank进行渗流计算时采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量，最终计算得到坝体的渗流稳定成果见表3，经渗流有限元计算，正常和校核水位坝体内水力比降见图7和图8。

(a)校核洪水位2236.2 m水力坡降等值线图

(b)校核洪水位2236.2 m水头等值线图

图8 正常蓄水位2233.4 m水力坡降等值线图

表3 两种工况下坝体渗流稳定计算结果表

从渗流比降图7(a)和图8可以看出，坡降较高的部位集中在心墙内部，大坝下游部位极低，下游坝基渗流稳定，不会发生渗透破坏。通过渗流稳定分析计算，坝体溢出点渗透坡降小于允许渗透坡降，正常蓄水位时坝体渗漏量为7.48 m3/d，渗漏量低；下游坝坡溢出点在排水棱体内，排水棱体与坝体间设有反滤层，渗流稳定。总之，渗透坡降小于允许坡降，下游坝基渗流稳定，不会发生渗透破坏。

4 大坝除险加固设计

依据大坝安全鉴定结论，大坝结构无明显的位移、裂缝，大坝变形稳定，不存在危及大坝安全的异常变形，大坝上下游边坡抗滑稳定、上游护坡满足规范要求，附近岸坡稳定，不危及大坝安全。通过渗流稳定分析计算，坝体溢出点渗透坡降小于允许渗透坡降，正常蓄水位时坝体渗漏量为7.48 m3/d，渗漏量低；下游坝坡溢出点在排水棱体内，排水棱体与坝体间设有反滤层，渗流稳定。综合评价确定水库渗流安全为A级。因此，本次大坝除险加固仅针对影响大坝安全和发挥效益的主要建筑物进行改造，本次对后坝坡排水沟进行拆除重建方案，具体方案如下：

(1)由于大坝迎水面目测无裂缝及坍塌，护坡干砌石虽不规则、较零乱，但不影响坝体稳定及安全运行，对部分上部杂草管理单位加强清除即可。

(2)经本次除险加固现场调查，坝顶防浪墙局部虽有小裂缝、起皮现象，但不影响防浪墙结构安全，本次暂不做加固方案。

(3)后坝坡杂草建议加强管理，及时除草。

(4)本次大坝除险加固重点对排水沟进行加固。由于坝体后坝坡排水沟损毁严重，影响排水。为满足大坝后坝地面排水的要求，保证大坝坝体安全，大坝后坝坡原设计有两道排水沟，本次设计将现状损毁排水沟拆除，在原有排水沟位置拆除重建排水沟。排水沟断面为矩形，宽度40 cm，深度50 cm，采用现浇C20混凝土结构，衬砌厚度15 cm。

5 结论及建议

本文通过现场检查和大坝结构稳定复核，得到大坝坝坡稳定和渗流稳定均满足规范要求，现场检查得到大坝上、下游坝坡面护坡不规整、杂草丛生，防浪墙存在裂缝、起皮现象，均不影响大坝结构安全及运行，大坝存在的主要问题是下游排水沟损毁严重，影响排水，以及坡脚排水棱体遭到填埋，只露出顶部，影响渗流。因此本次除现加固重点对上下游护面进行除草清理，以及下游两条冲毁的排水沟进行拆除重建，后期应加强水库的运行管理和监测。