赤水市二郎坝水库大坝稳定分析

徐江燕

（遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州 遵义 563002）

1 工程概况

二郎坝水库地处赤水市葫市镇境内，坝址位于习水河支流沙千沟上游。水库坝址以上流域面积3.1km2，水库总库容154 万m3，校核洪水位1173.92m，正常蓄水位1173.00m，死水位1157.00m。工程以灌溉为主，并与蕨基坝水库联合运行，联合运行时设计灌溉面积786.67hm2。

二郎坝水库枢纽建筑物主要由大坝、泄洪建筑物、放水设施及引水设施等组成。大坝为浆砌条石双曲拱坝，坝顶高程为1178.00m，最大坝高33.3m，坝顶轴线弧长146.0m，坝顶宽4.4m，坝底宽8.0m。坝体在顶部中段设有五孔宽6m 弓形溢流泄洪孔，堰型为实用堰，堰顶高程1173.00m。水库放水隧洞位于库尾山担坳，洞长322.0m；坝身底部设有冲沙底孔，已采用浆砌石封堵；左坝脚设有管径Φ400 放水管，管中心高程1155.00m。在水库库首左端设有一引水隧洞（引水增加流域面积1km2），洞长210.0m。

该工程于1984 年开始设计，1986 年3 月动工兴建，1990 年10 月大坝完工，1992 年2 月工程全面完工开始蓄水。1988 年12 月大坝施工时，发现坝身垂直裂缝3 条，分别位于大坝左坝端、右坝端和坝体中部的下游面，裂缝自坝基开始，缝宽1~2mm，施工时作了灌浆或勾缝处理。坝体修筑到1167.00m 时，修筑曾停工3 个月，在坝体重新修筑后，由于新老坝体结合面未进行处理，直接影响了坝体的质量，以致坝体在高程为1167.00~1168.00m段存在渗漏。

2 坝肩地质基本资料

2.1 地质基本资料

1）坝区河谷地形：坝址河流流向N15°W，坝址区两岸地形较陡，河谷形态为基本对称形“V”形，左岸山体最高点高程1401.00m，右岸山体最高点高程1462.00m，坡角20°~35°，河床宽10~20m，岩层倾上游，偏左岸，为横向河谷结构。坝址区局部基岩裸露，大部覆盖残坡积砂质黏土，厚约0.5~3m，大坝下游河床为人工堆积物覆盖，厚1~10m，河床高程1148.00m。

2）地层岩性：坝址地层单一，出露白垩系上统夹关组（K2J）及第四系（Q）地层， 主要岩性为砂岩、岩屑石英砂岩夹粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩等。

3）地质构造：坝址区岩层比较平缓，产状N80°E / SE ∠13°,岩层倾向上游。坝址区未发现大的断裂发育，为单斜岩层，岩层平缓，构造以裂隙为主，主要有两组：①N3°~10°W/SW∠82°～87°，为陡倾角张扭性裂隙，裂隙表面宽0.1~1.5cm，可见长1~3m，局部充填砂土及碎石，为近顺河向裂隙，频率为1.5 条/m；②N80°～89°W/SW ∠70°～82°，为陡倾角张扭性裂隙，裂面粗糙，裂隙宽0.3~0.5cm，长3~5m，无充填，为斜切河向裂隙，频率为1 条/m。以上两组裂隙相互切割，破坏了岩体的结构，使本区岩体完整性较差，风化深度大。强风化深度：左岸5~7m，右岸8~13.2m，河床3~5m。

2.2 水文地质

工程区地下水主要为基岩裂隙水和第四系松散堆积层孔隙水，两岸地下水受大气降雨补给，地下水沿层面、裂隙排泄补给河水，多为潜水和上层滞水，河床及两岸出露的地下水较少，且流量小。从勘探资料表明，两岸地下水位普遍偏低，左岸地下水高程Zk1 为1167.20m，右岸地下水位高程Zk1为1149.54m。坝址区岩体的透水性主要与岩体的风化完整程度和岩性有关，根据坝址钻孔压水试验结果，由于砂岩、泥岩相间分布，其透水性具有不均匀特点，透水性有随深度增加而逐渐降低，近地表及强风化层或裂隙发育带透水性较强[1]。

3 坝肩稳定分析

3.1 拱端力系

采用反力参数法计算的基本荷载组合和特殊荷载组合时的拱端力系为计算依据。 ①基本荷载组合：正常蓄水位1173.00m 的静水压力与相应下游水位 +泥沙压力+自重+温降。②特殊荷载组合：校核洪水位1173.92m 的静水压力与相应下游水位+泥沙压力+自重+温升。

3.2 可能滑动面分析

坝区无明显的断裂构造，根据最为发育的两条裂隙分析，大坝右坝端以N3°～10°W/SW ∠82°～87°这条裂隙来拟定侧滑面；而大坝左坝端经分析，按裂隙拟定侧滑面时，其抗滑岩体体积很大，所以考虑在拱径向方向和裂隙方向的范围内分别选取侧滑面作拱端稳定试算，选取最不利情况作为计算的可能滑动面，经计算比较，拟定以N20.8°E 的方向作为侧滑面方向。左、右坝肩以岩石层面作为底滑面。

3.3 坝肩稳定计算

坝肩稳定分析采用刚体极限平衡进行抗滑稳定分析计算，根据《砌石坝设计规范》（SL25-2006），采用抗剪公式进行核算：K=∑（Nf）/∑T。按规范要求的稳定安全系数K 值：基本组合 [K′]≥1.3；特殊组合 [K]≥1.1。计算假定坝肩以岩石层面作为底滑面，右坝肩以N3°～10°W/SW ∠82°～87°这条裂隙来拟定侧滑面，左坝肩以N20.8°E 的方向作为侧滑面方向。

侧滑面、底滑面抗剪强度物理力学参数的选取，须充分考虑渗漏对地层岩性的影响，在结合检测试验数据的基础上，综合选取物理力学参数。抗剪强度物理力学参数取值，见表1。

表1 抗剪强度物理力学参数取值表

根据工程实际情况，设计主要选取基本组合、特殊组合最不利的二种荷载组合进行计算。经计算，在基本组合、特殊组合情况下，大坝坝肩分层、整体抗滑稳定安全系数均满足规范要求，两坝肩软弱夹层面抗滑稳定安全系数满足规范要求。坝肩抗滑稳定安全系数成果，见表2。

表2 坝肩抗滑稳定安全系数成果表

3.4 成果分析

经计算分析，坝肩抗滑稳定安全系数满足规范要求。且从大坝多年来运行的实际情况和收集的资料看，水库基本在设计水位下运行，大坝坝肩至今未发现有异常现象，大坝运行良好，坝肩稳定计算成果合理。

4 坝体应力分析

4.1 基本设计参数及荷载组合

1）基本设计参数见表3。

表3 现状拱圈几何特性表

2）荷载组合：①基本荷载组合：正常蓄水位1173.00m 的静水压力与相应下游水位 +泥沙压力+自重+温降。②特殊荷载组合：校核洪水位1173.92m 的静水压力与相应下游水位 +泥沙压力+自重+温升。

4.2 坝体应力计算方法及成果分析

1）计算方法：应力分析采用《反力参数法》程序计算。

2）计算成果：从反力参数法应力成果可知，基本荷载组合①正常蓄水位+温降情况下，最大主压应力2.56MPa，发生在拱冠梁1145.00m 高程下游面；最大主拉应力1.37MPa，发生在拱冠梁1145.00m 高程上游面。特殊荷载组合②校核洪水位+温升情况下，最大主压应力2.29MPa，发生在拱冠梁1145.00m 高程下游面；最大主拉应力1.09MPa，发生在拱冠梁1145.00m 高程上游面。通过计算，在上述二种运行工况下，特殊荷载组合下坝体的最大主压应力、拉应力均在规定的允许范围内。在基本荷载组合下，坝体的最大主压应力在规定的允许范围内，其最大主拉应力为1.37MPa，发生在拱冠梁1145.00m 高程上游面, 该值略大于规范要求的控制拉应力1.2 MPa，其它各层主拉应力均小于1.2Mpa。考虑到大坝经多年运行未发现稳定异常，可认为大坝应力是基本符合要求的。

4.3 坝身裂缝复核及成果分析

现场勘察时，在坝身发现3 条经勾缝或灌浆处理的垂直裂缝。根据记录，此3 条裂缝在1988年12 月大坝在施工已发现，当时缝宽1 ～2mm，后经有关人员根据实际情况作出了处理。3 条裂缝的特性为：L1:位于大坝的右坝端下游面，作勾缝处理，裂缝自坝基开始，实测可见高程1162.00 ～1173.80m，坝体条石被拉断，缝的周围有少量渗水。L2:位于大坝坝体中部下游面，作勾缝处理，裂缝自坝基开始，实测可见高程1151.10 ～1155.70m，缝周围无渗水。L3:位于大坝的左坝端下游面，作勾缝、灌浆处理，裂缝自坝基开始，实测可见高程1159.40 ～1173.80m，缝周围无渗水。

由于裂缝在施工时已发现，本次复核采用施工期工况计算分析坝体裂缝形成的原因。基本设计参数见表三，计算采用《反力参数法》。通过计算的应力成果可知，在施工期情况下，最大主压应力2.49MPa，发生在左、右拱端1145.00m 高程上游面；最大主拉应力1.31MPa，发生在左、右拱端1145.00m 高程下游面。从结果看，左、右拱端主压应力均小于砌体材料的容许压应力3.0Mpa，而左、右拱端1145.00m 高程下游面的主拉应力均大于规范要求的控制拉应力1.2 Mpa。其左、右坝端裂缝就位于最大拉应力发生的区域，由此可见，裂缝产生的原因主要是坝体在施工期中由于自重、温度等作用而产生过大的拉应力，而坝体在施工时未留施工缝，坝体受拉而出现裂缝。裂缝自处理后，趋于稳定，未出现过异常现象。

5 结 语

在拱坝的大坝稳定分析中，坝肩稳定分析和坝体应力分析是非常重要的两项指标，而在分析过程中，力学参数及相关系数的取值是否合理，直接影响到分析计算的科学性。本次坝肩稳定分析、坝体应力分析的复核计算，充分考虑工程地质、工程特性及大坝施工期存在的具体问题，结合相关检测试验资料及规程规范，通过工程类比，合理分析选取力学参数及相关系数进行计算分析，对大坝稳定作出了科学评价。同时，二郎坝水库建成至今已近40 年，多年来均按设计水位运行，水库运行状况良好，大坝坝肩及坝体稳定。