木葉寨水庫安全性評價★

蘇 桂 明

(廣西城市建設(shè)學(xué)校，廣西 桂林 541004)

1 工程概況及運(yùn)行現(xiàn)狀

木葉寨水庫位于臨桂縣臨桂鎮(zhèn)西北方向，距國道321線5 km。水庫坐落在珠江流域桂江水系漓江的一級支流桃花江的上游支流，壩址以上集雨面積2.93 km2，總庫容223萬m3，灌溉面積0.18萬畝，是一個以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚等綜合利用的小型水庫。水庫由主壩、穿壩無壓放水涵管、副壩、溢洪道等建筑物組成，大壩為粘土壩。壩體剖面圖見圖1。木葉寨水庫于1957年動工興建，1958年年底竣工。水庫投入運(yùn)行近50年來，為當(dāng)?shù)氐墓?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了較大的貢獻(xiàn)。水庫運(yùn)行期間進(jìn)行過4次應(yīng)急加固，但受當(dāng)時技術(shù)水平等條件的限制，工程質(zhì)量已經(jīng)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，使得水庫在運(yùn)行時仍不斷有險情出現(xiàn)。不僅影響工程效益的正常發(fā)揮，同時也給下游人民生命財產(chǎn)的安全帶來嚴(yán)重的威脅[1]。因此，對水庫進(jìn)行安全性評價，并分析隱患產(chǎn)生的原因，提出合理的治理措施是當(dāng)前要解決的首要問題。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

庫區(qū)及壩址出露地層為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階(C1y)灰黑～灰白色泥巖，強(qiáng)～中風(fēng)化，表層局部強(qiáng)風(fēng)化，用手可捏碎，層理明顯，間距大小均一，從數(shù)毫米至數(shù)厘米。層理間填充紅褐色鐵質(zhì)，垂直節(jié)理發(fā)育。殘積土為第四系(Q)殘積土，黃褐色。巖性為粘性土、粘性土夾20%～30%的泥巖碎石。庫區(qū)及壩址總體為一單心構(gòu)造，無大斷層通過庫區(qū)，但受區(qū)域性大斷裂影響，小規(guī)模褶皺較發(fā)育。庫區(qū)地下水類型為基巖裂隙水和孔隙潛水，孔隙潛水賦存于第四系松散覆蓋層孔隙中，地下水受大氣降水的補(bǔ)給，向溝谷排泄。根據(jù)區(qū)域資料，地表水及地下水對混凝土及鋼結(jié)構(gòu)無腐蝕性。

2.2 壩基工程地質(zhì)條件

壩基未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造通過，工程地質(zhì)條件較好，出露的地層為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階(C1y)，灰褐色泥巖，下伏巖體為強(qiáng)風(fēng)化～中等風(fēng)化狀態(tài)，較破碎。勘察結(jié)果表明，壩基巖體的透水率為5.97 Lu左右，屬弱透水性，因此壩基較穩(wěn)定，作為土壩的基礎(chǔ)能滿足設(shè)計要求。

2.3 壩體工程地質(zhì)條件

壩體粘土干密度為17.64 kN/cm3～19.11 kN/cm3，壓實度平均值為86.0%，不滿足規(guī)范要求，且壩頂寬度僅有3.0 m，凹凸不平。土壩填土為黃褐色～灰褐色粘土，含中風(fēng)化～全風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化砂巖。泥巖碎塊呈灰白色、紅褐色和灰黑色，粒徑一般為2 cm，含量為35%～60%。含少量有機(jī)質(zhì)，硬塑，稍濕。粉粒與粘粒含量平均值68.1%，大于0.075 mm的砂與礫含量平均值31.9%，為泥巖風(fēng)化的砂礫。根據(jù)室內(nèi)滲透試驗測得土體的滲透系數(shù)為0.96×10-5cm/s～5.4×10-4cm/s，屬弱透水～微透水之間，滲透系數(shù)差異較大，土層很不均勻，均一性較差?，F(xiàn)場注水試驗的滲透系數(shù)為2.58×10-5cm/s～7.78×10-5cm/s。綜合現(xiàn)場注水試驗和室內(nèi)滲透試驗成果，土體的滲透系數(shù)為5.3×10-4cm/s，屬弱透水。

3 水庫壩體質(zhì)量分析

木葉寨水庫大壩在當(dāng)時的施工條件下，采用分工日分區(qū)域的施工方法，各區(qū)域投入勞力數(shù)量不同，使得施工進(jìn)度快慢不一，壩體不是均勻增高，而是交錯上升，壩身內(nèi)部交接縫甚多，許多部位碾壓不實，壩體質(zhì)量沒有達(dá)到設(shè)計要求。根據(jù)大壩填土滲透試驗成果表明其滲透系數(shù)為5.3×10-4cm/s，滲透系數(shù)最大值為5.4×10-4cm/s，屬弱透水，根據(jù)SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范，均質(zhì)壩土料碾壓后的滲透系數(shù)不應(yīng)大于1×10-4cm/s，因此壩體填土沒有達(dá)到防滲要求，存在安全隱患；根據(jù)SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范，3級中、低壩及3級以下的中低壩壓實度應(yīng)為96%～98%，對木葉寨水庫大壩填土進(jìn)行了擊實試驗，其最大干容重為1.78 g/cm3～1.80 g/cm3，平均值為1.79 g/cm3；天然干容重為1.50 g/cm3～1.58 g/cm3，其壓實度為83.8%～88.3%，并沒有達(dá)到規(guī)范要求的96%～98%壓實度要求。根據(jù)現(xiàn)場觀測檢查，大壩內(nèi)坡有裂縫，存在多處蟻穴，且大壩下游護(hù)坡塊石局部松動，凹凸不平，壩外坡右側(cè)邊導(dǎo)濾壩腳以上5 m處有滲漏，亦存在安全隱患。

4 滲流計算分析及安全評價

4.1 滲流計算分析

大壩的滲流安全問題，在大壩的整體安全中占有重要地位，水庫在蓄水投入運(yùn)行后所遭受的破壞主要有滲流，滑坡和開裂，其中滲流最為主要，其他兩件事故也與滲流有關(guān)[2-4]，因此，對大壩進(jìn)行滲流安全性分析與評價是十分必要的。

根據(jù)GB 50287—99水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，結(jié)合本水庫主、副壩的重要性，安全系數(shù)均取1.5。主壩土層滲流參數(shù)表見表1。采用ANSYS和MATLAB計算軟件，用有限元法求解滲流水頭并計算滲漏流量。滲流有限元分析基本方程為：

(1)

其中,[K]為透水系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；{Q}為邊界流量對節(jié)點(diǎn)水頭的貢獻(xiàn)；t為時間。

表1 主壩土層滲流參數(shù)表

具體計算方法為：首先依據(jù)經(jīng)驗定一條滲流自由面和滲出點(diǎn)，滲流自由面滿足第二類邊界條件(通過該面的流量為0)，求出水頭值H；比較滲流自由面的水頭值H和其位置高程z，是否滿足H=z，若不滿足，則用計算水頭值H去改變滲流自由面的z值，形成新的滲流自由面。反復(fù)上述計算步驟，直至滲流自由面上結(jié)點(diǎn)全部滿足|H-z|≤ε(ε為給定的精度，取0.01 m)。主壩計算工況選取見表2。各特征庫水位計算結(jié)果見圖2，關(guān)鍵部位的具體參數(shù)見表3。

表2 主壩滲流計算工況表

表3 主壩典型剖面滲流計算成果表

工況最大滲透比降位置最大滲透比降滲漏量/m3·(day·m)-1正常蓄水位184.23排水體底部0.450.46設(shè)計洪水位185.78排水體底部0.520.59校核洪水位186.16排水體底部0.600.75

4.2 安全評價

滲流計算表明，各種工況條件下，壩體內(nèi)粘土浸潤線及下游出逸點(diǎn)較低；當(dāng)庫水位從正常蓄水位184.23 m上升到校核洪水位186.16 m時，壩體粘土的最大滲透比降均不超過壩體粘土的滲透允許坡降J允許=0.649 8，因此不會發(fā)生流土變形破壞。滲流量由0.46 m3/day/m增至0.75 m3/day/m，以壩頂長89 m計，大壩日滲漏量約為40.94 m3～66.75 m3，年滲流量約為0.149萬m3～0.244萬m3，滲流損失較小。由此可判斷大壩滲流性態(tài)是安全的。地質(zhì)勘查資料顯示，壩體粘土滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求的滲透系數(shù)k<10-4cm/s[3]，雖基礎(chǔ)為弱透水性，但壩底局部已存在滲漏點(diǎn)，若進(jìn)一步發(fā)展，將會使壩體滲漏加劇，導(dǎo)致土顆粒流失，發(fā)生局部破壞，影響壩體安全。

5 穩(wěn)定性計算分析及安全評價

5.1 穩(wěn)定性分析

大壩邊坡穩(wěn)定采用同濟(jì)大學(xué)曙光軟件及加拿大多倫多大學(xué)的邊坡穩(wěn)定計算STAB6軟件，對大壩上游、下游壩坡采用剛體極限平衡法——瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計算分析研究，針對各建筑物在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行各種可能的荷載組合下的穩(wěn)定性分析評價。其中正常組合：組合1：正常蓄水位184.23 m+壩體自重；組合2：設(shè)計洪水位185.78 m+壩體自重；組合3：最不利水位185.78 m+壩體自重。非正常組合：組合4：校核洪水位186.16 m+壩體自重；組合5：校核洪水位186.16 m驟降至堰頂高程184.3 m+壩體自重。選取主壩最大壩高剖面作為穩(wěn)定分析的典型剖面，見圖3。

5.2 安全評價

通過計算，壩坡穩(wěn)定成果見表4。

表4 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

采用剛體極限平衡法——瑞典圓弧法和簡化畢肖普法都能進(jìn)行穩(wěn)定計算分析研究，計算所得的大壩上下游正常運(yùn)行工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，分析可知：工況的改變不影響壩坡的穩(wěn)定安全性，即壩坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)語

通過上述對比分析后，對木葉寨水庫的安全性評價結(jié)論如下：

1)大壩在各種工況下滲流性狀雖處于安全狀態(tài)，但壩體粘土滲透系數(shù)并不滿足規(guī)范要求的滲透系數(shù)，使大壩存在著嚴(yán)重滲流隱患，因此，應(yīng)及時對大壩進(jìn)行防滲加固，杜絕滲漏隱患。

2)大壩上下游壩坡采用剛體極限平衡法——瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計算所得安全系數(shù)均滿足規(guī)范，但由于畢肖普的簡化法考慮了土條間的相互作用力，因而肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計算所得安全系數(shù)更為精確。

3)水庫大壩上下游壩坡在正常運(yùn)用工況下壩坡是穩(wěn)定的，但仍然存在著局部壩體質(zhì)量缺陷，填筑質(zhì)量的低劣是造成局部滑坡的主要原因，因此，在對壩體進(jìn)行全面填筑質(zhì)量檢查時，對有缺陷的部位應(yīng)及時進(jìn)行填補(bǔ)及加固，確保工程安全。

4)由于蟻穴形成集中滲流通道，將嚴(yán)重影響大壩的安全，因此，需采取積極有效的防御措施。

5)建議對大壩增設(shè)安全監(jiān)測設(shè)施，監(jiān)測大壩的運(yùn)行狀況，及時了解大壩的安全性狀，進(jìn)行及時處理。