皮山县波斯干水库大坝抗震稳定分析及除险加固设计

黄亮亮

（中工武大设计集团有限公司新疆分公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

波斯干水库是新疆和田地区皮山县境内坡斯喀河上的一座山区拦河式水库,水库地处昆仑山北麓,塔里木盆地西南缘,坐落在西昆仑山前低丘陵区,库区地势南高北低。

波斯干水库总库容300 万m3,其中死库容80 万m3,兴利库容60 万m3,防洪库容160 万 m3,其对应的死水位为1881.94 m,正常蓄水位为1883.80 m,设计洪水位1884.78 m,校核洪水位1886.63 m,工程等别Ⅳ等,工程规模为小（1）型。

水库现状由大坝、溢洪道、放水涵洞组成,大坝坝型为复合土工膜斜墙坝,坝顶高程1888.30 m,坝顶宽度15 m～130 m,坝轴线长413 m,最大坝高18.30 m；大坝桩号0+004～0+375段上游护坡为C20 砼护坡,坡比1∶2.5,护坡厚度15 cm,护坡下铺设复合土工膜防渗；大坝桩号0+004～0-038 段上游护坡为C20 浆砌石护坡,平均坡比为1∶1.3,护坡厚度40 cm；大坝下游坝坡坡比1∶2.0～1∶3.0,为土质护坡。

2020 年大坝安全评价结论：根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）,水库区域地震动峰值加速度0.20g,对应地震基本烈度为Ⅷ度,现状大坝设计抗震设防烈度为Ⅶ度,抗震设防烈度不符合规范的要求；大坝下游坝坡抗震稳定性不满足《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）规范要求。

2 地震作用对大坝的影响分析

2.1 场区地震构造

波斯干水库处于塔里木地台（Ⅸ）→塔里木台坳（Ⅸ5）→西南坳陷（Ⅸ54）→叶城凹陷（Ⅸ54-4）内。

（1）工程研究区

在40 km～150 km 范围内发育的断裂主要有康西瓦断裂㊲、西昆仑北缘断裂㊲等2 条区域性断裂,现分述如下：

1）康西瓦断裂

延伸长度600 km,走向EW,倾向S,陡倾角,断层性质为左旋逆冲,全新世活动十分明显,断层左旋位移量9 m～12 m,水系被断错,水平活动速率0.5 mm/a。1920 年10 月12 日在策勒南发生6.25 级地震,在皮山南发生6.8 级地震,为全新世活动断裂,位于工程区的西南、南、东南部,距工程区最近距离99 km。

2）西昆仑北缘断裂

延伸长度1440 km,走向EW～NW、SW,倾角50°～80°,断层性质为逆走滑,西段左旋,东段右旋,第三系、第四系地层被错断切割,水平断距6 km～16 km,垂直断距大于6 km,断层附近有温泉分布。1974 年8 月11 日乌恰西发生7.3 级地震,1944 年9 月28 日乌恰西南发生7 级地震,为全新世活动断裂,位于工程区的西北、西、西南方向,距工程区最近距离123 km。

（2）工程近场区

在5 km～40 km 范围内发育的区域性断裂主要有：昆仑山山前断裂㊲、阿尔金断裂㊲等2条区域性断裂,现分述如下：

1）昆仑山山前断裂

延伸长度684 km,走向EW,倾向S,陡倾角,错断第四系地层,逆断层,差异性活动强烈。1902 年8 月31 日在皮山南发生6.8 级地震,为全新世活动断裂,位于工程区的西南、南、东南部,距工程区最近距离14 km。

2）阿尔金断裂

延伸长度1500 km,走向50°～70°,倾向S,倾角45°～70°,断层性质为左旋逆走滑,沿断层有大量岩体和岩脉发育,有多期岩浆岩侵入,第四纪仍有明显活动,垂直运动差异性较大,水平位错达5 km,晚更新世垂直活动速率1.1 mm/a,全新世垂直活动速率0.2 mm/a,水平活动速率3.0 mm/a～5.0 mm/a,1924 年7 月3 日在民丰东南发生7.25 级地震,晚更新世以来曾发生多次古地震,为全新世活动断裂,位于工程区的东南部,距工程区最近距离31 km。

（3）工程场址区

在工程区5 km 范围内无区域性活断层。

2.2 场区地震活动特征

由地质勘察报告可知,在库区150 km 范围内活动性断层主要集中在水库的南部,活断层交叉较少,相互间作用一般,地震发生频次一般,有记录的地震21 次,6 级以上地震2次,5～6 级地震13 次,5 级及以下地震6 次。

综合工程区及周边的地层结构、岩性、地质构造、构造活动性、地震震级、地震动峰值加速度（0.20g）、地震基本烈度（Ⅷ度）等要素,确定工程区构造稳定性较差。

2.3 大坝抗震安全复核

依据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）、《中国地震动加速度反应谱特征周期区划图》（GB 18306-2015）的划分,库区地震动峰值加速度0.20g,地震动反应谱特征周期0.45 s,地震基本烈度Ⅷ度,设计烈度与基本烈度相同。根据《水工建筑物抗震设计标准》（GB 51247-2018）规定,波斯干水库大坝按丁类工程设防,只考虑顺河流方向的水平地震作用,并采用拟静力法进行地震作用效应计算。

（1）抗震复核计算参数及方法

抗震结构安全复核采用河海大学研究开发的《稳定分析软件》（AutoBank7.51）进行计算,计算方法为有限元动力分析法,计算参数见表1。

大坝稳定分析方法采用简化毕肖普法,计算公式如下：

式中：W 为土条重量；Q、V 分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负,向下为正）；u 为作用在土条底部的孔隙压力；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b 为土条宽度；c'、φ'为土条地面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；R 为圆弧半径。

（3）计算工况

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL 189-2013）的规定,并结合大坝实际运行情况,对上游坝坡按正常蓄水位（1883.80 m）进行抗震计算；对下游坝坡按正常水位进行抗震计算。

（4）复核结果

经计算：正常运用遇地震情况下,上游坝坡抗滑稳定安全系数除桩号0-010 计算断面外其余计算断面均大于1.10,满足现行规范要求；下游坝坡抗滑稳定安全系数均小于1.10,不满足现行规范要求。

3 大坝除险加固设计

3.1 大坝坝坡设计

（1）上游坝坡设计

波斯干水库现状大坝上游坝坡为混凝土和浆砌石护坡,坝轴线桩号0+000～0+013 段为溢洪道进口段, 桩号0+013～0+048 段护坡坡比为1∶1.3,桩号0+048～0+416 段坝坡坡比为1∶2.5。

上游坝坡（桩号0+013～0+048）浆砌石段平均坝坡坡比为1∶1.3,在非常运用条件Ⅱ下坝坡抗滑稳定安全系数均小于1.1,不满足现行规范要求,故本次除险加固设计将该段坝坡放缓至1∶2.5,与其他坝段顺接。

（2）下游坝坡设计

现状下游坝坡坡比为1∶1.5～1∶3.0 之间,下游坝坡在非常运用条件Ⅱ下各坝段抗滑稳定安全系数均小于1.1,不满足现行规范要求。

根据加固方案采用试算法确定坝坡压重的范围、高度和宽度。当设置的下游坡压坡填土重量满足下游坝坡抗滑稳定要求的最小安全系数时,该坝坡压重的范围、高度和宽度即为所求。

经计算,本次除险加固设计在下游坝坡高程1878.30 m处设置马道,马道宽12 m,马道以上坡比为1∶3.0,马道以下为填筑坡坡比为1∶4.0。

3.2 坝坡稳定计算

本次除险加固后大坝坝型为复合土工膜斜墙坝,最大坝高18.3 m,坝轴线长416 m,坝顶宽度13 m～130 m,上游坝坡为C20 混凝土护坡,坡比1∶2.5,护坡厚度15 cm；下游边坡坡比1∶3～1∶4,在高程1878.30 m 处设置12 m 宽马道,为土质坝坡。

水库正常蓄水位1883.80 m,设计洪水位1884.78 m,校核洪水位1886.63 m,死水位1881.94 m。

（1）计算方法

抗震结构安全计算采用河海大学研究开发的《稳定分析软件》（AutoBank7.51）进行计算,计算方法为有限元动力分析法,选用参数与“大坝结构稳定计算”参数相同。

（2）计算结果

本次设计下游坝坡为库盘淤积粉土料填筑,计算方法采用圆弧法,采用河海大学研究开发的《稳定分析软件》（Autobank7.51）（圆弧滑面）进行计算,计算结果见表2。

由计算结果可知,大坝在正常运用及非常运用条件下,上、下游坝坡稳定计算的最小安全系数均满足现行规范要求,大坝抗滑稳定。

4 结语

波斯干水库为山区拦河水库,总库容300 万m3,保护下游人口5000 人,耕地2 万亩,大坝如果遭受强震发生溃决,将导致严重的次生灾害。因此大坝除险加固的设计目标,首先要确保在遭遇设计烈度的地震时,不发生破坏导致次生灾害。波斯干水库除险加固设计是满足现行规范的一次有益设计,该设计方案通过上级部门的审批并已实施。