盧鳳麗

(遼寧省本溪市水庫(kù)移民管理局，遼寧 本溪 117000)

小型水庫(kù)是幫助農(nóng)村新興經(jīng)濟(jì)體應(yīng)對(duì)水資源快速增長(zhǎng)需求、調(diào)節(jié)河川徑流緩解區(qū)域水資源時(shí)空分布不均而分布在中小河流上的控制性水利工程，對(duì)其合理開(kāi)發(fā)利用是加強(qiáng)農(nóng)村水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、構(gòu)建和諧新農(nóng)村和實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要保障。小型水庫(kù)在新農(nóng)村安全飲水、精準(zhǔn)扶貧、抵御洪澇災(zāi)害和抗旱應(yīng)急救災(zāi)等方面均發(fā)揮非常重要作用。截至2018年底，全國(guó)已建成小型水庫(kù)94 132×104座以上，總庫(kù)容710×108m3。其中，土石壩以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、地基變形適應(yīng)性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便和就地取材等優(yōu)點(diǎn)，作為小型水庫(kù)主流壩型得到廣泛推廣應(yīng)用和快速發(fā)展，占已建壩數(shù)量的90%以上[1]。我國(guó)土石壩大多建于上世紀(jì)50-70年代，受當(dāng)時(shí)建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)等因素的制約，很多水庫(kù)大壩存在“先天不足、后天失調(diào)”現(xiàn)象，加上服役年限的增長(zhǎng)，大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和剛度不足、壩基和壩體裂縫滲漏等病險(xiǎn)問(wèn)題日益突出，急需采取合理除險(xiǎn)加固措施消除安全隱患[2-3]。

目前，關(guān)于土石壩壩坡滲流穩(wěn)定的研究已較多，但大多以大中型土石壩工程為主，而對(duì)于小型土石壩尤其是除險(xiǎn)加固修復(fù)后壩體的滲流穩(wěn)定的研究相對(duì)較少。壩坡失穩(wěn)主要工程措施有加高培厚、削坡減載和坡腳壓重等，其中坡腳壓重是通過(guò)在坡腳施加砂巖等重物以抑制和處理坡腳地基產(chǎn)生的弧形滑移，提高壩坡穩(wěn)定性的一種有效且經(jīng)濟(jì)的除險(xiǎn)加固措施。鑒于此，本文以松坡水庫(kù)為例，針對(duì)存在的上游壩坡失穩(wěn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用砂巖坡腳壓重方式進(jìn)行病險(xiǎn)處理，并計(jì)算分析加固修復(fù)后大壩上游壩坡的穩(wěn)定性，以驗(yàn)證砂巖坡腳壓重加固方案的合理性和有效性。

1 工程概況

海南省松坡水庫(kù)位于瓊中縣黎母山鎮(zhèn)境內(nèi)，壩址以上集雨面積5.3 km2，現(xiàn)狀正常蓄水位629.35 m，正常蓄水庫(kù)容326×104m3；設(shè)計(jì)洪水位629.85 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容387.5×104m3；校核洪水位630.15 m，總庫(kù)容423.5×104m3；興利庫(kù)容201.7×104m3。水庫(kù)工程任務(wù)以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧引水發(fā)電和城市供水，設(shè)計(jì)灌溉面積168.95 hm2,實(shí)際灌溉面積125.75 hm2。大壩樞紐由均質(zhì)土壩、左岸溢洪道和取水兼放空設(shè)施等3部分組成。

2 加固前壩坡穩(wěn)定性分析

松坡水庫(kù)均質(zhì)土壩由于前期勘探不全、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低和施工填筑質(zhì)量較差以及運(yùn)行管理措施落實(shí)不到位等，大壩質(zhì)量隱患逐步惡化，存在壩體局部滲漏、壩腳多處散浸點(diǎn)、上游壩坡滑移變形等安全隱患，給下游居民人身財(cái)產(chǎn)安全造成威脅[4]。為了準(zhǔn)確掌握大壩病險(xiǎn)狀況，根據(jù)《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》(2003年)相關(guān)要求，結(jié)合大壩工程特性，采用簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)加固前大壩壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[5]。

2.1 壩體結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

松坡水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，是利用當(dāng)?shù)赝潦牧咸钪蓳跛畨?。壩頂高?30.75 m，壩頂寬5 m，壩高22.5 m，壩基高程608.25 m，未設(shè)防浪墻。大壩上下游壩坡坡比分別為1∶2和1∶2.25，排水棱體采用1∶1坡比的干砌石結(jié)構(gòu)。大壩填筑土體材料主要物理力學(xué)參數(shù)為：天然容重20.1 kN/m3；飽和容重20.6 kN/m3；飽和狀態(tài)的固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得指標(biāo)為：黏聚力平均值C=16.9 kPa，內(nèi)摩擦角平均值φ=14.7°；非飽和狀態(tài)的固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得指標(biāo)為：黏聚力平均值C=19.1 kPa，內(nèi)摩擦角平均值φ=15.5°；滲透系數(shù)k=5.83×10-5cm/s。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)《水庫(kù)大壩安全鑒定辦法》(2003年)和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)中穩(wěn)定性分析相關(guān)要求[6]，大壩除險(xiǎn)加固前后穩(wěn)定性分析設(shè)置5種工況，即：

1) 穩(wěn)定滲流期大壩上下游壩坡處抗滑穩(wěn)定，包括：①正常運(yùn)用工況1：正常蓄水位(629.35 m)條件；②正常運(yùn)用工況2：設(shè)計(jì)洪水位(629.85 m)條件；③正常運(yùn)用工況3：校核洪水位(630.15 m)條件。

2) 非穩(wěn)定滲流期大壩上下游壩坡處抗滑穩(wěn)定，包括：①非常運(yùn)用工況1：由校核洪水位(630.15 m)驟降至正常蓄水位(629.35 m)條件；②非常運(yùn)用工況2：由正常蓄水位(629.35 m)驟降至死水位(625.92 m)條件。

2.3 加固前穩(wěn)定性分析

基于極限平衡原理，結(jié)合上游壩坡滑移不穩(wěn)現(xiàn)狀，采用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)化畢肖普法(Bishop)進(jìn)行滑裂土體抗滑穩(wěn)定性分析，安全系數(shù)計(jì)算成果見(jiàn)圖1和表1。

圖1 加固前大壩穩(wěn)定滲流期(正常蓄水位629.35 m)浸潤(rùn)線及滑裂面

表1 上游壩坡加固前抗滑穩(wěn)定分析成果

從表1中的大壩加固前安全鑒定可知，上游壩坡在各運(yùn)用工況條件下其穩(wěn)定性均小于規(guī)范指標(biāo)，尤其在非常運(yùn)用工況2(由正常蓄水位629.35 m驟降至死水位625.92 m條件下)，上游壩坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)僅有0.97，遠(yuǎn)低于規(guī)范指標(biāo)。說(shuō)明上游壩坡穩(wěn)定性較差、安全隱患較大，而下游壩坡各工況條件下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性好且安全富裕度大。因此，大壩除險(xiǎn)加固需重點(diǎn)進(jìn)行上游壩坡加固修復(fù)處理。

3 上游壩坡除險(xiǎn)加固及穩(wěn)定性分析

3.1 上游壩坡除險(xiǎn)加固方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘和鉆孔取芯樣試驗(yàn)結(jié)果，判斷大壩上游主要發(fā)生了弧形滑移。綜合考慮工程特性和水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固常用工程措施，設(shè)計(jì)優(yōu)選砂巖壓重來(lái)抑制和處理壩坡坡腳地基產(chǎn)生的弧形滑移，以提高上游壩坡穩(wěn)定性，除險(xiǎn)加固方案見(jiàn)圖2。

圖2 上游壩坡砂巖壓重除險(xiǎn)加固方案

上游壩坡砂巖壓重體底部與壩基基巖高程608.25 m平齊，頂寬4.5 m，高3 m，迎水面坡比1∶2，背水面與壩坡貼近。砂巖壓重體材料主要物理力學(xué)參數(shù)為：天然容重24.6 kN/m3；飽和容重25.6 kN/m3；飽和狀態(tài)的固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得指標(biāo)為：黏聚力平均值C=5.96 kPa，內(nèi)摩擦角平均值φ=29.8°；非飽和狀態(tài)的固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得指標(biāo)為：黏聚力平均值C=9.9 kPa，內(nèi)摩擦角平均值φ=31.8°；滲透系數(shù)k=3.97×10-3cm/s。

3.2 加固后穩(wěn)定性分析

土石壩穩(wěn)定計(jì)算主要分析水位以上壩坡的滲流壓力，而對(duì)于水位以下壩坡部分，為了簡(jiǎn)化計(jì)算可以將其視為一個(gè)有重量無(wú)強(qiáng)度的特殊剛體。按2.2節(jié)中設(shè)置的5種計(jì)算工況，采用理正軟件簡(jiǎn)化畢肖普法(Bishop)，計(jì)算得到上游壩坡砂巖壓重加固處理后的土石壩滲流穩(wěn)定分析成果，見(jiàn)圖3和表2。

圖3 上游壩坡加固后浸潤(rùn)線及滑裂面示意

表2 上游壩坡加固后抗滑穩(wěn)定分析成果

由表1和表2對(duì)比分析可知，上游壩坡采用砂巖壓重處理后，安全系數(shù)分別由1.18、1.16、1.21、1.11和0.97增加至1.39、1.51、1.62、1.53和1.36，全部滿足規(guī)范指標(biāo)要求且增加明顯，壩坡穩(wěn)定性得到有效提高。

為分析砂巖壓重對(duì)壩體浸潤(rùn)滲流穩(wěn)定的影響，對(duì)比加固前后大壩穩(wěn)定滲流期(正常蓄水位629.35 m)浸潤(rùn)線及滑裂面分布情況，見(jiàn)圖1和圖3(a)。結(jié)果表明，上游壩坡采用砂巖壓重加固處理后，壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線分布未發(fā)生明顯改變，而滑裂面分布則發(fā)生明顯改善。加固處理后，滑裂面剪出口由加固前的壩坡坡腳處明顯抬升到砂石壓重體頂部高程與壩坡交點(diǎn)處，壩坡坡腳地基產(chǎn)生的弧形滑移得到有效抑制和處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)松坡水庫(kù)均質(zhì)土壩上游壩坡圓弧滑移不穩(wěn)問(wèn)題，基于極限平衡原理，采用理正軟件簡(jiǎn)化畢肖普法(Bishop)對(duì)采取砂巖壓重加固處理前后的上游壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行論證分析，得到以下主要結(jié)論：

1) 大壩加固前下游壩坡穩(wěn)定性較好，而上游壩坡穩(wěn)定性較差，不滿足規(guī)范指標(biāo)要求，急需采取相應(yīng)除險(xiǎn)加固措施進(jìn)行病險(xiǎn)處理。

2) 結(jié)合安全鑒定結(jié)果及工程病險(xiǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)采用砂巖壓重加固措施對(duì)上游壩坡弧形滑移進(jìn)行抑制和處理。

3) 上游壩坡采用砂巖壓重加固處理后，各工況條件下的安全系數(shù)增加明顯且均大于規(guī)范指標(biāo)，壩坡穩(wěn)定性得到全面提高。壩體內(nèi)浸潤(rùn)線分布未發(fā)生明顯改變，而滑裂面剪出口則明顯抬高且趨于穩(wěn)定，壩坡不穩(wěn)問(wèn)題得到有效處理。