蒲县刁口水库大坝稳定性分析

刘钊

（山西省临汾市水利勘测设计院，山西 临汾，041000）

1 工程概况

蒲县刁口水库是一座以调蓄中部引黄工程和流域内地表水、以供水为主要功能的小（1）型水库。水库位于临汾市蒲县城南约8 km、昕水河一级支流南川河的屯里沟上，属于黄河流域。河道长度11.04 km，河道比降30‰。坝址以上控制流域面积30.6 km2，水库总库容191.4万m3。

大坝为自密实混凝土堆石重力坝，设计正常蓄水位1 134.1 m，最大坝高40.5 m，坝长165 m，坝顶宽9.0 m，坝顶高程1 135 m。枢纽工程由挡水坝段、泄洪排沙洞坝段、灌溉输水洞坝段等建筑物组成。

对大坝坝体、坝基进行稳定性计算分析，评价大坝稳定性，并提出处理措施。

2 自然地理

蒲县地处吕梁山脉南端，地理位置在北纬36°11′32″～36°38′13″、东经110°51′09″～111°23′36″之间，东接洪洞、尧都，西与大宁为邻，南与吉县毗连，北与隰县、汾西接壤，东西宽约48.46 km，南北长49.36 km，总面积1 508 km2，人口密度68人/km2。

蒲县所在地属大陆性季风气候，年平均气温9.41℃，年平均降雨量（1970～2010年）为493.4 mm，多年平均蒸发量1 814.2 mm（20 cm 蒸发皿），最大冻土层深度107 cm，年平均无霜期178 d，年平均风速3.6 m/s。

3 工程地质条件

坝址位于屯里沟上游砂、泥岩峡谷区，距屯里沟口约3.18 km。左右两岸基岩裸露，地貌属剥蚀侵蚀低中山和山间谷地貌特征。

地层岩性为三叠系下统刘家沟组（T1l）：砂岩、砾岩、砂质泥岩、泥、页岩。强风化带厚度2.8～9.74 m。岩层倾向左岸偏下游。上覆第四系低液限黏土、低液限粉土、卵砾石混合土、碎石。

坝址区断裂和褶皱构造不太发育，构造节理裂隙较发育，裂隙倾角78°～90°。裂隙密度一般1～2条/m，隙宽1～2 cm，少部分裂隙为泥质和小碎石充填，大部分为闭合状，延伸较短。

地震动峰值加速度0.1g，地震动反应谱特征周期0.40 s，地震烈度Ⅶ度。

坝址区地下水主要为碎屑岩裂隙含水层，地下水直接接受大气降水补给。左、右坝肩地下水位为1 097.03～1 108.42 m，主河槽地下水位为1 092.02～1 092.6 m，河水位1 097.46 m，两岸地下水补给河谷。主河槽地下水位低于河水位5.22～5.44 m，为悬托型河谷。基岩透水率1.78～148 Lu，属于弱～强透水性。地表水、地下水化学类型为重碳酸硫酸钙镁型水。

4 大坝稳定分析

4.1 坝体抗滑稳定计算

根据地质勘察钻探资料，蒲县刁口水库坝基持力层为三叠系刘家沟组第3岩组（T1l3）厚层、中厚层长石、石英细砂岩、粉细砂岩夹砾岩。岩层产状：N33°～80°E/NW∠4°～10°。

坝基基岩抗剪断强度采用地质勘察取样试验结果，砂岩凝聚力5.84 MPa，内摩擦角39.0°；砾岩凝聚力5.30 MPa，内摩擦角42.9°。

混凝土与基岩接触面抗剪断强度采用GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》表E.0.4，取0.70～0.30 MPa。

坝体抗滑稳定按混凝土垫层与基岩接触面抗滑稳定分析，计算断面选取最大坝高断面。采用SL 319-2018《混凝土重力坝设计规范》中的坝体抗滑稳定公式进行计算：

坝基渗透压力强度系数选取α=0.3，荷载组合根据《混凝土坝设计规范》中6.1.2注4及《山西省水利厅关于印发山西省小型水库更新建设工程设计指导意见的通知》考虑正常高水位加排水失效情况，渗透压力强度系数参照选取α=0.75。

依据SL 319-2018《混凝土重力坝设计规范》规定，按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数K′，基本组合时应不小于3.0，特殊组合（1）时应不小于2.5，特殊组合（2）时应不小于2.3；按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数K，基本组合时应不小于1.05，特殊组合时应不小于1.0。其结果见表1。

表1 沿垫层混凝土与基岩接触面抗滑稳定计算结果表Table 1 Calculated anti-sliding stability coefficients on the surface between the concrete cushion and the bedrock

计算结果表明，除排水失效情况下的抗剪安全系数小于规范要求外，其余工况抗滑稳定系数均满足规范要求。为使排水失效情况下坝体抗滑稳定满足规范要求，计算得在水位为1 133.0 m 时，K=1.002，K′=3.938，满足设计规范要求。

4.2 坝基应力分析

坝基垂直正应力按SL 319-2018《混凝土重力坝设计规范》中公式6.3.3计算。

表2 坝基垂直应力计算结果表Table 2 Calculated vertical stress at dam foundation

经计算，坝趾垂直应力小于坝基容许压应力，坝踵垂直应力没有出现拉应力，满足规范要求。

大坝坝基抗滑稳定计算及应力计算结果分析结论：坝基抗滑及应力均满足规范要求，但坝体设计断面是由特殊荷载控制的，为保证安全运行，采取下列工程措施：（1）结合深层抗滑计算结果，大坝设置抗滑齿墙。（2）坝基与岩基接触面用锚筋固结。（3）大坝运行期间须经常检查排水孔不被堵塞及排水设备功能正常，并结合调节水位方式确保大坝运行安全。

4.3 坝基深层抗滑稳定计算及工程措施

4.3.1 坝基深层抗滑稳定计算

据钻孔资料，坝基岩体分布有缓倾角软弱结构面，计算断面取大坝横向桩号0+090 最大坝高处，将泥岩逐层试算，确定控制滑裂面，采用双滑动面进行抗滑稳定计算分析。根据SL 319-2018《混凝土重力坝设计规范》，坝基深层抗滑稳定计算采用等安全系数法，按抗剪断强度公式，采用《理正岩土重力坝设计软件5.5》计算。

抗剪断强度计算公式：

式中：f'1=0.25，f'2=0.8（AB 面不考虑泥化，参照规范D.3 取泥夹岩屑中f'最小值0.25）；c1、c2为AB、BC 滑动面的抗剪断凝聚力，c1=20 kPa，c'=700 kPa（AB 面不考虑泥化，参照规范D.3 取泥夹岩屑中c'最小值0.02 MPa）；α=2°，β=45°+φ/2-α=51.4°（其中φ为岩石内摩擦角，取φ=16.7°）。

计算结果见表3。

由表3可知，坝体沿坝基深层软弱面抗滑稳定安全系数K'在高程1 084.64 m 处满足规范要求。对1 084.64 m高程以上软弱面采取加固处理措施。

表3 坝基深层抗滑稳定计算成果表Table 3 Calculated anti-sliding stability coefficients for the deep layer of dam foundation

4.3.2 设置抗滑齿墙后深层抗滑稳定计算

根据地质勘察资料，坝基分布有薄层泥岩软弱夹层，为了使坝基深层抗滑处于稳定状态，所以对大坝横向桩号0+060～0+105处设置C20混凝土抗滑齿槽。

抗滑齿槽基础的岩性为厚层、中厚层细砂岩、砾岩、粉砂岩夹薄层泥岩、砂质泥岩。

抗滑齿槽的抗滑稳定计算，取齿槽深8.5 m，底宽5.0 m，上游侧开挖边坡1∶0.3，下游侧开挖边坡1∶0.2。截断高程1 086.77 m及以上处泥岩软弱夹层。齿槽放在厚层、中厚层细砂岩、砾岩上，采用C20混凝土混凝土浇筑内插钢筋，确保齿槽抗滑稳定性。

对设置抗滑齿墙后的坝体沿坝基高程1 086.77 m处深层软弱面进行抗滑稳定计算，计算结果详见表4。

表4 坝基深层抗滑稳定计算成果表Table 4 Calculated anti-sliding stability coefficients for the deep layer of dam foundation

综上所述，在大坝桩号0+060～0+105 坝基上游开挖浇筑8.5 m 深、底宽5 m（截断1 086.77 m 及以上处软弱面）的C20F50W2混凝土抗滑齿槽，以解决坝体深层抗滑稳定问题，另外在坝基范围采取固结灌浆、打锚筋等工程措施以进一步增加坝体抗滑的安全储备。

5 坝基处理

重力坝承受较大的荷载，对地基要求较高。天然基岩经受长期地质构造运动及外界因素的作用，存在着不同程度的风化、节理、裂隙、破碎带等缺陷，破坏了基岩的整体性及均匀性，降低了基岩强度和抗渗能力，因此必须对地基进行适当的处理，包括坝基开挖清理、固结灌浆、坝基及坝肩帷幕灌浆、坝基设抗滑齿槽加固。

5.1 坝基开挖处理

坝基开挖处理，即挖除覆盖层及风化破碎的岩石至新鲜基岩面，主河槽基岩面高程1 094.5 m，为利于坝体侧向稳定，左右岸坝基开挖成分级平台。

5.2 固结灌浆

在坝基范围内进行固结灌浆，孔距4 m，梅花型布置，帷幕灌浆前伸入基岩以下孔深为10 m，固结灌浆后孔深8 m。

5.3 帷幕灌浆

5.3.1 坝基帷幕灌浆

按SL 25-2006《砌石坝设计规范》中的有关条文确定防渗帷幕的下限，一般采用基岩透水率为3～5 Lu，如果坝高在50 m以下，基岩透水率为不大于5 Lu。当透水层较厚、相对不透水层埋深较大时，可根据坝高确定灌浆帷幕的安全深度，取0.3～0.7 倍坝高。刁口水库大坝坝高40.5 m，由于主河槽岩体透水率大小分布没有规律性，大多数段透水性较大，均大于5 Lu，为此防渗帷幕深度取0.3～0.7倍坝高。

为降低坝基渗透压力，减少坝基渗流量，坝基帷幕灌浆在坝基轴线下桩号0+003.5处设一排防渗帷幕，采用悬挂式帷幕，其孔距3.0 m，帷幕灌浆深度30～37 m。

5.3.2 两坝肩帷幕灌浆范围

经计算，坝址两岸坝肩处帷幕灌浆的范围为两坝端向岸里各延伸36 m，因两岸山坡较陡需各设灌浆平硐长31 m，平硐断面为城门洞型，宽×高为2.5 m×3.035 m。帷幕灌浆左岸深34.0 m（1 135.0～1 101.0 m），右岸深32.0 m（1 135.0～1 103.0 m）。

根据深层抗滑稳定计算结果，对1 084.64 m 高程以上软弱结构面采取加固处理。在大坝桩号0+060～0+105 坝基上游设C20F50W2抗滑齿槽以截断1 086.77 m 以上软弱面，解决坝体深层抗滑稳定问题。

5.4 排水系统设计

5.4.1 坝体排水孔

为了降低坝体内的扬压力，减小渗水对坝体的不利影响，在坝轴线下游3 m处布设φ150无砂混凝土排水管。排水管顶高程1 135.0 m，管底伸至纵向廊道，而后接PVC 管伸至纵向廊道上游侧排水沟，挡水坝段坝体排水管间距均为3 m，泄洪排沙坝段在每个闸墩的中心埋设。坝体渗水通过排水管流入纵向廊道排水沟，在泄洪洞坝段设横向廊道集中排水到下游集水井，并设水泵抽出坝外。

5.4.2 坝基主排水孔

为减小坝基渗透压力，在坝基桩号0+005设一排φ150PVC主排水孔，孔深15 m，间距3 m，下游倾角15°。坝基渗水通过主排水管流入纵向廊道排水沟，由横向廊道集中排水到下游集水井，并设水泵抽出坝外。

6 结语

对刁口水库坝体、坝基进行了稳定性分析计算，可初步得出以下几点认识：在砂、泥岩分布地区夹有泥岩软弱夹层坝基，对重力坝抗滑稳定起着主要影响，所以对坝基采用开挖成齿槽、固结灌浆、加锚筋、坝基主排水孔、坝体排水孔等工程处理措施，运行中应关注坝基排水孔的排水效果，以保证大坝正常运行。