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1、1 工程概述某水库位于某xx镇雷家畈村，大坝拦截长江北岸柏临河的支流院子河，距某市约30km，交通便利，是某区的重要水库之一，水库承雨面积11.3km2，总库容376104m3，有效库容335.6104m3，工程级别为等，主要建筑物级别为4级，该水库以灌溉、防洪为主，同时兼顾养殖等。某水库由大坝、溢洪道、输水建筑物和渠系建筑物等配套工程组成。大坝为粘土心墙代料坝，代料为红砂岩风化砂，坝顶高程262.00m，坝顶长225m，坝高29.6m，坝面宽3.0m，河底高程232.40m，迎水坡为三坡两平形式，即1:2.25，1:2.5，1:2.5，对内一级平台宽度4.5m，二级平台宽度1.5m，采用0.
2、2m厚干砌块石护坡，背水坡也为三坡两平形式，即1:2.0，1:2.5，1:1.75，对外一级平台宽度4.5m，二级平台宽度1.5m，采用草皮护坡，坝基为砂岩夹砾岩。溢洪道位于大坝左端，为开敞式宽顶堰，堰顶宽68.5m，堰顶高程259.70m，无闸门启闭设备和消能工。大坝两岸各有一条输水隧洞，呈城门洞形，左岸为低管，设计过水流量为1.0 m3/s，长111.0m，平均衬砌厚度0.15m，出口渠道为东干渠，闸门为扇铸铁平面闸门，尺寸为0.5m0.7m采用5T手摇螺杆式启闭机控制。右岸为高管，设计过水流量1.0 m3/s，围岩为砾石，无衬砌，出口渠道为西干渠，闸门为扇铸铁平面闸门，尺寸为0.5m0.
3、7m，采用斜拉手摇螺杆式启闭机。渠道建筑物分东、西两条干渠，过水能力1.0m3/s。某水库由原某县水电科设计，于1960年10月开工，1971年1月竣工。由于受当时条件、技术等方面限制，大坝在兴建之初未进行工程地质勘察工作，施工中采用人海战术，质量难以保证，大坝竣工运行后，曾出现过许多险情，后采取诸多除险措施，然而，大坝许多病害仍未得到根治。某水库的非正常运行不仅影响自身效益充分发挥，而且给下游居民生命财产带来了极大的安全隐患。为保证水库正常运行，对其险情进行彻底根治处理，根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）和水库大坝安全评价导则（SL258-2000）的要求，按30年一
4、遇洪水设计（261.23m），500年一遇洪水（261.87m）校核的防洪标准对某水库大坝、溢洪道等进行全面复核。本文即为枢纽结构安全评价专题报告。2某水库大坝抗滑稳定复核2.1 计算条件根据渗流稳定分析成果，选取比较有代表性的断面（如图2-1），进行抗滑稳定计算。根据中国地震动参数区的划图（GB183062001）水库所在地区的地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为t0.25s，相应地震基本烈度为度，根据水工建筑物抗震设计规范（SL20397），大坝为四级建筑物无须进行抗震稳定性计算。根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）的要求，并结合水库的运用情况，计算工况选取为：1
5、）正常工况（1）正常蓄水位259.7m时形成稳定渗流期，下游坝坡稳定；（2）设计洪水位261.23m时形成稳定渗流期，下游坝坡稳定；2）非正常工况校核洪水位261.87m骤降至正常蓄水位259.7m，上游坝坡的稳定。2.2 计算参数的选取为了解大坝填土等材料的物理力学特性，我院委托某省地质勘察基础工程公司承担了某水库安全鉴定地质勘察工作，对大坝、溢洪道进行了地质勘察工作，为复核计算提供了依据。本次稳定计算对计算断面进行了简化，共有心墙（粘土），坝壳代料（粉质粘土），强风化砂岩和中风化砂岩四种材料，计算时采用参数如表2-1。表2-1某水库大坝稳定分析参数表材料类别内摩擦角（）凝聚力C（KPa）天
6、然容重（KN/m3）饱和容重（KN/m3）心墙（粘土）152620.0220.24坝壳代料（粉质粘土）201519.5220.04强风化砂岩3020016.9317.49中风化砂岩3530026.5926.682.3 计算方法2.3.1计算原理及依据按碾压式土石坝设计规范（SL2742001），对某大坝采用瑞典圆弧法和毕肖普法进行抗滑稳定计算。计算方法：采用水利水电规划总院推荐的“土石坝边坡稳定计算程序（陈祖煜STAB）”进行计算。简化毕肖普法和瑞典圆弧法抗滑稳定安全系数的公式为：（1） 简化毕肖普法 （式2-1）（2） 瑞典圆弧法 （式2-2）式中：w土条重量；Q水平地震惯性力；，hQ为水平
7、地震力和圆心的垂直距离。ru孔隙水压力系数条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；c,土条底面的有效应力抗剪强度指标； R圆弧半径。2.3.2 孔隙水压力的确定稳定渗流期坝体内的渗流压力分布根据渗流分析计算确定，坝体内某点的孔隙水压力按下式计算：rwh （式2-3）式中：rw为水容重；h为坝体内该点的渗透压力水头。压缩性较大的填土发生水位降落时，将产生附加孔隙压力，计算按设计规范采用了近似的方法确定，即不考虑降落时孔隙压力的消散，对孔隙水压力系数可取近似值，并对土单元总应力的变化根据土条重量变化予以简化处理，得出近似公式： （式2-4）式中： h1为土条底面中点以上填土高度；h为稳定渗
8、流期库水流达土条底面中点时的水头损失值，由稳定渗流期的流网确定。2.4 计算结果及分析依据碾压式土石坝设计规范（SL2742001），对于心墙坝，宜采用计及条块作用力的毕肖普法（Bishop），对于4级坝不考虑地震时正常运用和非正常运用的坝坡抗滑稳定安全系数为1.25和1.15；不计条块间作用力的方法即瑞典圆弧法的安全系数，分别为1.15和1.06。本次坝坡稳定计算成果见表2-2，断面在各种工况下最危险滑裂面位置分别如图2图4所示。表2-2某水库大坝抗滑稳定分析计算成果表断面坝坡运行工况最小安全系数毕肖普法瑞典圆弧法计算结果规范允许值计算结果规范允许值断面下游坡正常蓄水位259.7m稳定渗流1
9、.0951.251.0611.15设计洪水位261.23m稳定渗流1.0651.250.9851.15上游坡校核洪水位骤降至正常蓄水位1.7501.151.6211.06上述计算结果表明：某水库大坝河床断面坝坡在正常运行的各种工况下，无论是采用瑞典圆弧法还是采用简化毕肖普法，其下游坡安全系数最小值均小于现行规范的容许值。2.5 结论根据以上评价，对某水库大坝的安全性得出以下结论。根据国家防洪标准（GB5020194）的有关规定，某水库为小（1）型水库，大坝为四级建筑物，经复核，水库采用30年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核运行的各种工况的下游坡的抗滑稳定安全系数不满足规范要求。其中在设计洪水
10、位形成稳定渗流时，其下游坡的安全系数仅有1.065（毕肖普法）和0.985（瑞典圆弧法），与规范要求相差较大（规范要求为1.25（毕肖普法）和1.15（瑞典圆弧法）。分析其原因可发现，代料体主要为粉质粘土夹碎石，块石及少量砂土等，密实度较差，力学性能较低；此外由于大坝心墙的高程低于正常蓄水位，浸润线以下代料体力学性能降低，致使下游坝坡稳定性极差。另外，某水库大坝绕坝渗漏比较严重，可能造成大坝的局部不稳，甚至坍塌。 3 大坝沉降计算3.1 计算条件大坝施工前没有做过土料勘探，由于土料级配较差，回填随意性较大，碾压不密实，建成后坝体出现了沉降变形。在坝基为基岩的条件下，大坝沉降过大很大程度上是因为
11、土料碾压达不到填筑要求的密实度而造成的，由此带来大坝欠高、不均匀沉降，引起大坝裂缝。经过几十年运行，坝体沉降基本稳定。大坝的沉降主要是在土体自重作用下，压缩填土料孔隙产生的。3.2 计算原理严格来说，大坝的沉降是随加载历时变化的，要较真实的计算大坝沉降需要在详细现场试验的基础上，分层加载模拟施工过程。对于一般的工程，广泛地采用平面问题的分层总和法计算沉降量，这种方法假设地基在自重作用下已压缩稳定，使地基产生压缩变形（沉降）是由所谓的附加应力引起的，附加应力即外荷载在基础中产生的应力，显然，这种力随着土层加深而逐渐衰减。在用分层总和法求大坝沉降时，因无外荷载作用，由规范可知，坝体内任一点的竖向应
12、力看作是由重力引起的，可采用该点处单位面积以上的土柱重量来计算。由于大坝建设时未绘制压缩曲线，因此空隙比e和压缩模量Es无法获得。本次钻探试验资料获得了土层压缩膜量的平均值，见表31。从压缩系数可以看出，其值满足0.1MPaaV120.5MPa，应属于中等压缩性土。虽然代料的压缩性约大于心墙的压缩性，但两者的密度接近，且代料所占的体积远大于心墙，为简化计算，在水平层上各参数近似取两者的平均值，假设坝基砂岩夹砾岩覆盖层以下不发生沉降，沉降全部由坝体填土产生。表31 某水库大坝沉降计算参数表土的类别湿密度（t/m3）含水量w（）干密度（t/m3）压缩系数aV12（MPa）压缩模量Es12（MPa）
13、心墙2.0421.601.680.364.40代料体1.9920.701.650.444.71根据土坝设计（下册），大坝沉降计算采用如下公式： （式3-1）式中：坝体或坝基的最终沉降量；pi1第i层土1/2高度处本层土柱的有效重；pi2第i层土1/2高度处至坝顶的土柱自重；hi 分层计算的土层厚度；Ei第i计算土层的压缩模量。3.3 计算过程根据规范要求，分层厚度应为坝高的1/51/10，因此将土层分为六层，坝顶（高程262.0m）至高程为256.4m处为第一层，高差5.6m，高程为256.4m处至上游坝坡第一级平台（高程250.89m）为第二层，高差5.51m；上游坡第一级平台（高程250.
14、89m）至第二级平台（245.68m）为第三层，高差5.21m；上游坡第二级平台（高程245.68m）至高程为241.48m处为第四层，高差为4.2m，高程为241.48m处至高程为237.48m处为第五层，高差为4.0m，高程为237.48m至坝基（233.49m）为第六层，高差3.99m。（1）自重应力分布自重应力按静止土压力法计算，在浸润线以上用湿容重，浸润线以下用浮容重，见表32的第三列。（2）竖向应力分布竖向应力是由第i层土1/2高度处至坝顶的土柱自重pi2与第i层土1/2高度处本层土柱的有效重pi1，见表32的第四列。表32 大坝沉降量计算表分层编号分层厚度（m）自重应力s（kpa）竖向应力（pi2- pi1）（kpa）压缩模量（MPa）沉降量s（mm）15.643.784.7152.0525.5187.5585.414.7199.9235.21171.59144.354.71159.6844.2
