长山水库大坝安全评价分析

辛子龙

( 黑龙江省八五一一农场水务局，黑龙江 密山158307)

1 工程概况

长山水库位于穆棱河左岸的主要一级支流哈达河上，距长山村约220 m，距鸡东县城30 km，地理坐标E131°12'，N45°22'。

水库控制流域面积15.7 km2，水库上游为低山区，主要为耕地及林地，植被不好，水土流失较严重，水库坝址下游长山村以南为哈达河冲积平原，总的地势起伏不大。

水库校核洪水位206.44 m，相应库容为65.51 ×104m3，设计洪水位205.74 m，相应库容44.72 ×104m3，死水位203.85 m，相应库容8.49 ×104m3，是一座以灌溉为主，兼顾养鱼的小(2) 型水库［1］。

水库始建于20 世纪70年代，由长山村组织村民修建，是采用车拉肩挑的方式施工，无勘察设计资料。

2 大坝工程质量

长山水库坝型为黏土均质坝，土坝全长290 m，坝顶高程在208.82 ～207.06 m，东侧坝肩处稍低，高程为206.75 m，坝顶宽度5 ～6 m，最大坝高7.43 m，上游边坡比1 ∶2.5 ～1 ∶2.7，下游边坡比1 ∶1.3 ～1∶1.5，上下游边坡均无护坡，坝后无排水设施。

3 坝顶高程复核

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

式中: Y 为坝顶超高，m; R 为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。

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、平均波周期及平均波长按莆田实验站公式计算。

经计算，坝顶高程应为207.00 m。土坝现状顶高程为208.82 ～207.06 m，现状坝顶高程满足要求。

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; V 为垂直地震惯性力( 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; Mc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1 +200断面进行稳定计算。

土坝和坝基土体物理力学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，上游坡比为1∶2.5，下游坡比为1∶1.5，对各种工况进行稳定计算，计算成果见表2。

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，应≥1.15，在非常运用条件Ⅰ下，应≥1.05。典型断面稳定计算结果见表2。

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。

表2 坝体稳定计算成果表

5 渗流安全

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。

5.1 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。

表3 渗透系数设计参数表 cm/s

5.2 坝体渗流计算方法及成果

坝体渗流计算包括渗流量及出逸点高度计算，临界比降计算。

5.2.1 渗流量及出逸点高度计算

根据《堤防工程设计规范》( GB50286—98) 采用不透水地基渗流计算，渗流计算成果见表4。

表4 渗流计算成果表

5.2.2 临界比降

对于黏土，坝坡出口允许渗流坡降规定为: ［Jc］≥0.6 。坝体渗流出口比降小于允许临界比降，坝体满足渗流稳定要求。

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，且两层渗透系数较大，比值＞100，根据《堤防工程设计规范》( GB50286—98)［4］采用双层地基渗流计算，计算简图见图1，计算公式为:

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，m; k0为强透水堤基渗透系数，k =5 ×10－3cm/s;k1为弱透水堤基渗透系数，k =7.45 ×10－6cm/s; T 0为强透水堤基层厚度，0.4 m; T1为弱透水堤基层厚度，0.4 m。

图1 双层地基渗流计算简图

当下游渗透出逸比降符合下式时，应设置排水盖重层或排水减压沟、井。

式中: h 为根据渗流计算求得的表层弱透水层承压水头; Gs 为表层土的土粒比重，取2.70; n1为表层土的孔隙率，取39%; K 为安全系数，取1.5; T1为弱透水层厚度，为坡脚处厚度，取0.4 m;

计算得表层土在坝下游坡脚点的出逸比降为2.8，大于黏土允许出逸比降0.695，坝基渗透不稳定。应在坝脚处设排水盖重层。

6 结 论

根据土坝坝顶超高复核，坝顶高程达标。根据土坝边坡稳定计算结果，水库土坝边坡最小安全系数大于现行规范规定的最小安全系数。但是土坝护坡缺失不完整，易冲刷，存在安全隐患。

通过渗流计算，坝体出口比降小于允许水力比降，坝体满足渗流稳定要求。但是，有些坝段存在双层地基结构，表层为含砂低液限黏土，下层为含细粒土细砾。

通过对坝基的渗流稳定计算，得出出逸比降大于表层土的允许比降，渗透不稳定，需要在坝脚处加盖重等工程措施。综上所述，土坝经坝基处理后仍可发挥工程效益。

［1］黑龙江省水利水电勘测设计研究院. 鸡东县长山水库大坝安全鉴定报告书［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 堤防工程设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，1998.