凌華東

（江西華東龍?jiān)唇ㄔO(shè)有限公司，江西 景德鎮(zhèn)333400）

我國(guó)中小型病險(xiǎn)水庫(kù)數(shù)量有近6萬余座，病險(xiǎn)水庫(kù)一般指結(jié)構(gòu)安全鑒定為3類的壩體，通常結(jié)構(gòu)安全鑒定發(fā)現(xiàn)存在的最主要問題是壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和壩體滲流穩(wěn)定。而壩體不穩(wěn)將直接影響下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。時(shí)鐵城等［1］采用有限元法計(jì)算了英布魯水電站土石壩在水位驟降條件下的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)和安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)上游壩坡的安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；羅春等［2］發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位驟降工況下，上游水位的變化對(duì)壩體滲流量的影響較大，庫(kù)水位急劇降落易使浸潤(rùn)線形成逆向滲流形態(tài)，最終造成土石壩壩坡穩(wěn)定性的降低；尹吉娜等［3］通過模擬計(jì)算水位變動(dòng)下的壩體滲流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)水位降速越快，浸潤(rùn)線最高點(diǎn)越高，逆流越明顯，上游壩坡穩(wěn)定性越差，恢復(fù)至穩(wěn)定的時(shí)間越久。

目前有關(guān)土石壩除險(xiǎn)加固方面的研究，主要以大中型土石壩工程為主，針對(duì)小型均質(zhì)壩的研究相對(duì)較少［4-6］。壩坡不穩(wěn)的處理措施通常是壩體加高培厚，放緩坡度，而砂巖料充分的土石壩工程采用當(dāng)?shù)厣皫r料壓重坡腳的加固措施是一種既有效又經(jīng)濟(jì)的處理方案。因此，本文以某典型的小型水庫(kù)大壩為例，針對(duì)其上游壩坡不穩(wěn)的問題，擬采用砂巖壓重的措施進(jìn)行處理加固，計(jì)算加固后的上游壩坡在不同運(yùn)行工況下的安全系數(shù)、滑裂面及浸潤(rùn)線，并與加固前的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析砂巖壓重上游壩坡設(shè)計(jì)方案的可行性及有效性。

1 工程概況

某水庫(kù)工程流域集雨面積0.561km2，現(xiàn)狀正常蓄水位371.85m，正常庫(kù)容55.6萬m3，設(shè)計(jì)洪水位372.33m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容61.9萬m3，校核洪水位372.58m，總庫(kù)容65.3萬m3，興利庫(kù)容35.3m3。該水庫(kù)是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主的?。?）型水庫(kù)，設(shè)計(jì)灌溉面積33.33hm2，有效灌溉面積8.53hm2，樞紐工程主要由大壩、溢洪道、放水設(shè)施3部分組成。現(xiàn)狀水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程373.10m，壩頂寬4.5m，壩高11.1m，壩底高程362.00m，無防浪墻；大壩上游壩坡坡比1∶1.65，下游壩坡坡比1∶1.75，排水棱體頂部高程364.50m，排水棱體干砌石結(jié)構(gòu)，坡比1∶1。

加固前的大壩壩坡5種計(jì)算工況為：①工況1：由正常蓄水位形成穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；②工況2：設(shè)計(jì)洪水位形成穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；③工況3：校核水位形成穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；④工況4：由校核水位驟降至正常蓄水位形成非穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；⑤工況5：由正常蓄水位驟降至死水位形成非穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡。

根據(jù)前期大壩安全鑒定結(jié)果可知，加固前大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表1。

表1 加固前大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由表1可知，大壩上游壩坡在各種運(yùn)行工況下穩(wěn)定性較差，均小于規(guī)范允許值；特別是在工況5，上游壩坡安全系數(shù)僅有0.98。說明上游壩坡存在失穩(wěn)可能，而下游壩坡穩(wěn)定性較好，因此需重點(diǎn)加固上游壩坡。

結(jié)合工程實(shí)際情況，本次大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)擬采用砂巖壓重上游壩坡的方式，提高上游壩坡的穩(wěn)定性。上游壩坡加固設(shè)計(jì)方案為：壓重體頂寬5m，迎水面坡比1∶2，高度3m，如圖1。

圖1 上游壩坡設(shè)計(jì)方案

2 研究方法及計(jì)算參數(shù)

土石壩的穩(wěn)定性計(jì)算主要考慮水位以上坡體的滲流壓力，而水位以下部分，將坡面以上水體視為一種有重度無強(qiáng)度的特殊材料，本次壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用Bishop簡(jiǎn)化條分法［7］。

結(jié)合大壩工程地質(zhì)條件，采用河海大學(xué)開發(fā)的AUTO-BANK軟件計(jì)算分析壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線分布，并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模塊中，運(yùn)用塊體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，即可獲得不同運(yùn)行工況下大壩壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)［8］。根據(jù)壩體取樣及室內(nèi)土體試驗(yàn)報(bào)告建議參數(shù)取值，壩體二維滲流穩(wěn)定計(jì)算主要物理力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 壩體材料主要物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表1的5種不同運(yùn)行工況，采用極限平衡法中的簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算了上游壩坡采用砂巖壓重處理后的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)的浸潤(rùn)線和滑裂面，如圖2，表3。

圖2 加固后抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表3 加固后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

分析可知，上游壩坡坡腳采用砂巖壓重處理后，5種工況下大壩上游壩坡的安全系數(shù)增大明顯，壩體穩(wěn)定性顯著提高，均滿足規(guī)范要求。本工程在加固前上游壩坡在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位、校核洪水位降至正常蓄水位和正常蓄水位情況下，驟降至死水位時(shí)，安全系數(shù)分別為1.19，1.20，1.23，1.14，0.98；而采用砂巖壓重處理后5種工況對(duì)應(yīng)的上游壩坡安全系數(shù)分別增加到1.41，1.53，1.58，1.47，1.27。說明除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)采用的砂巖壓重措施效果十分顯著。

圖3為加固前大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（正常蓄水位），對(duì)比加固后的計(jì)算結(jié)果表明，采用砂巖壓重處理后，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線分布幾乎沒有變化，而加固前后上游壩坡滑裂面分布有明顯差異。具體表現(xiàn)為加固前上游壩坡滑裂面起于下游壩坡坡頂位置，從上游壩坡坡腳位置剪出；加固后上游壩坡滑裂面同樣起于下游坡面頂部，但剪出口位置上升明顯，剪出口位于砂巖頂部平面與上游壩坡坡面的交點(diǎn)位置。

圖3 加固前抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）以某病險(xiǎn)水庫(kù)加固工程為例，針對(duì)其上游壩坡不穩(wěn)問題，基于極限平衡法和非飽和滲流理論提出采用砂巖壓重進(jìn)行處理的加固措施，對(duì)加固后的上游壩坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析。

（2）按照設(shè)計(jì)方案采用砂巖對(duì)上游壩坡壓重處理后，5種運(yùn)行工況下對(duì)應(yīng)的上游壩坡安全系數(shù)增大明顯，壩體穩(wěn)定顯著提高，說明除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)采用砂巖壓重措施是可行的。

（3）采用砂巖壓重處理后，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線分布幾乎沒有變化，而加固前后上游壩坡滑裂面分布有明顯差異，加固前上游壩坡滑裂面起于下游壩坡坡頂位置，從上游壩坡坡腳位置剪出，加固后的剪出口位置上升明顯，剪出口位于砂巖頂部平面與上游壩坡坡面的交點(diǎn)位置。