鹰盘山水库大坝安全分析评价

蔡景礼

( 黑龙江省八五六农场水务局，黑龙江 虎林158418)

1 工程概况

鹰盘山水库位于五常市山河屯林业局境内，地理坐标为N44°28'45″，E127°48'50″，是一座以农田灌溉为主，兼顾抗旱水源、养鱼、防洪等综合利用的小(1) 型水库。水库主要建筑物设计标准为:10 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核［1］。

2 大坝工程质量

土坝为黏土均质坝，土坝全长800 m，坝顶高程在288.00 ～289.86 m，东侧坝肩处稍低，高程为288.00，坝顶宽度5.0 ～6.0 m，最大坝高5.09 m，上游边坡坡比为1∶1.6 ～1∶2.5，下游边坡坡比为1∶1.3～1∶2.3，坝后无排水设施。土坝迎水坡水位变化区护坡破坏严重，块石粒径较小，杂草丛生; 坝后无护坡，杂草丛生，坝体下游侧出现多处宽约5 ～10 cm的纵向沉陷裂缝。

3 坝顶高程复核

3.1 坝顶高程

坝顶高程由设计洪水位加超高与校核洪水位加超高比较后取最大值确定，依据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定，要有3 种情况应修正。

3.2 坝顶超高计算

按照《碾压式土石坝设计规范》［2］( SL274—2001)的规定，坝顶在水库静水位以上的超高由下式确定:

式中: Y 为坝顶超高，m; R 最大波浪在坝坡上的爬高，m; e 为最大风壅水面高度，m; A 为安全加高，对于Ⅳ等4 级的土坝，设计情况为0.5 m，校核情况为0.3 m。

3.3 波浪要素计算

水库风浪要素按《碾压式土石坝设计规范》( SL274—2001) 的要求确定，波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田实验站公式计算，计算公式如下:

式中: hm为平均波高，m; Tm为平均波周期，s; W 为计算风速，m/s; D 为风区长度，m; Hm为水域平均水深，m; g 为重力加速度，m/s2; Lm平均波长，m; H 为坝迎水面前水深，m。

3.4 波浪爬高

波浪爬高按下式计算:

式中: K△为斜坡的糙率渗透性系数; KW为经验系数，与无维量有关; m 为单坡的坡度系数。

3.5 风壅水面高度

风壅水面高度按下式计算:

式中: K 为综合摩阻系数，K =3.6 ×10－6; W 为计算风速，m/s; D 为风区长度，m; Hm为水域的平均水深，m; β 为计算风向与坝轴线法线的夹角。经计算，坝顶高程应为289.85 m。土坝现状顶高程为288.00 ～289.86 m，现状坝顶高程不满足要求。

4 大坝结构安全

4.1 计算工况选取

本次设计分别计算蓄水的各个时期不同荷载下土坝稳定性，共计算以下3 种工况: ①设计洪水位期的下游坝坡;②校核洪水位期的下游坝坡; ③水库水位为1/3 坝高水位时的上游坝坡。

4.2 计算方法

坝坡抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法，对于均质坝采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算公式如下:

式中: b 为土条宽度，m; W 为土条重量，m; Q、V 为分别为水平和垂直地震惯性力( 向上为负，向下为正) ; Z 为坝坡外水位高出条块底面中心点的距离;u 为作用于土条底面的孔隙压力; α 为条块重力线与通过此条块底面中心的半径之间的夹角，度; c'、φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标; M 为水平地震惯性力对圆心的力矩; R 为圆弧半径。

4.3 计算断面选取

根据工程地质勘探和土工试验成果，结合地形条件、土坝高度和填筑材料等，选取最大坝高断面进行稳定计算。坝体和坝基土体物理力学性质指标设计值根据工程地质勘察和土工试验成果选取，计算采用指标见表1。

表1 坝体材料物理力学指标表

采用理正软件程序计算，上游边坡坡比1∶2.0，下游边坡坡比1∶2.5，对各种工况进行稳定计算。按《碾压式土石坝设计规范》( SL274—2001) 规定: 坝坡抗滑稳定的安全系数:对于4 级坝，在正常运用条件下，≥1.15，在非常运用条件Ⅰ下，≥1.05。典型断面稳定计算结果见表2。

表2 坝体稳定计算成果表

计算结果表明，土坝坝坡抗滑稳定最小安全系数大于规范规定的最小安全系数，抗滑稳定满足要求。

5 渗流安全

5.1 工况及断面选取

参照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》( SL189—96)［3］，渗流计算水位组合情况为: 上游正常蓄水位与下游不利水位。

计算断面及渗透系数选取，根据工程地质勘探和土工试验成果，坝体渗流计算选取最大剖面，土坝的渗透系数见表3。坝基渗流计算采用双层地基结构。

表3 渗透系数设计参数表

5.2 坝体渗流计算方法及成果

1) 渗流量及出逸点高度计算: 根据《堤防工程设计规范》( GB50286—98)［4］采用不透水地基渗流

计算:

式中: q 为单位宽度渗流量，m3/s·m; k 为堤身渗透系数，m/s; H1为上游水位，m，取1.64m; H2为下游水位，m，取0m; h0为下游出逸点高度，m; m1为上游坡坡率，取1.6; m2为下游坡坡率，取1.5。

2) 浸润线方程按下式计算:

3) 背水坡渗流出口比降按下式计算

渗出点A 点:

堤坡与不水面交点B 点:

式中: J0为下游无水背水坡出口比降;渗流计算成果见表4。

表4 渗流计算成果表

4) 坝坡抗冲刷破坏的临界比降计算

式中: γ'为土的浮密度，取9.02kN/m3; γw为水的密度，9.8kN/m3; γ 为土的湿密度，18.82kN/m3; φ 为土的水下内摩擦角，取17.5°; β 为坝坡的坡角，取37.6°; c 为土的凝聚力，为22 kPa; K 为安全系数，取1.5。经计算得: ［Jc］=0.82

坝体渗流出口比降小于临界比降，坝坡满足渗流稳定要求。

5.3 坝基渗流计算方法及成果

根据地质资料，坝基为双层地基结构，表层土透水性较弱，下部透水性较强，且两层渗透系数相差较大，比值大于100，根据《堤防工程设计规范》( GB50286—98) 采用双层地基渗流计算:

式中: A 为越流系数; L 为临水侧等效长度，m; h 为CD 段弱透水层底板承压水头，m; H 为上、下游水位差，取1.64m; k0为强透水堤基渗透系数，k =0.3 cm/s; k1为弱透水堤基渗透系数，k =4.0 ×10－6cm/s; T0为强透水堤基层厚度，4.2 m; T1为弱透水堤基层厚度，3.0 m。

强透水堤基渗透系数0.3 cm/s，弱透水堤基渗透系数渗透系数为4.0 ×10－6cm/s。计算得表层土在坝下游坡脚点的出逸比降为0.530，小于黏土允许出逸比降0.616，坝基渗透稳定。

6 结 论

通过渗流计算，坝坡出逸比降小于允许渗透比降，坝体满足渗透稳定要求。坝基为双层地基结构，表层为低液限黏土，下层为粗砂，通过对坝基的渗流稳定计算，得出下游坝基表面的出逸比降小于表层土的允许渗透比降，坝基满足渗透稳定要求。土坝经加高后才能更好的发挥主体工程效益，建议早日对鹰盘山水库进行除险加固。

［1］黑龙江省水利水电勘测设计研究院. 五常市鹰盘山水库大坝安全分析评价报告书［R］. 哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2011.

［2］黄河水利委员会勘测设计研究院.SL274—2001 碾压式土石坝设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，2001.

［3］中华人民共和国水利部.SL189—96 小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则［S］. 北京:中华人民共和国水利部，1996.

［4］水利部水利水电规划设计总院.GB50286—98 堤防设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，1998.