熊思星，张贵金，雷 勇，杨博石，李 毅

（1.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙410114；2.常德市水利局，湖南 常德415000）

引言

2015年6月，国际大坝委员会统计了世界58 266座水库大坝，土石坝占比高达63%；在中国土石坝的比重更高达95%以上[1]。国内大部分土石坝兴建于20世纪50—70年代，许多水库设计不够合理，考虑影响因素不够全面完善，勘测施工状况差，已经达到或即将到达正常使用年限，存在不同程度的病险。虽然近10年来我国进行了大规模的除险加固，但依然存在众多风险。因此，对病险土石坝进行风险评估，发现大坝的薄弱环节，对危险部位进行改进，十分具有现实意义。

将风险分析理论和方法应用于安全管理实践当中[2]：袭瑞瑞、黄海龙等[3]探索了大坝安全风险标准制定的有关问题；周克发、袁辉等[4]提出了以病害指数衡量大坝病害程度，将水库大坝溃决可能性划分为相应的5个等级；罗国武、区军雄等[5]建立了考虑设计参数模糊性和失效准则模糊性的坝坡失稳模糊风险模型，采用现有传统风险计算方法计算土石坝的失事概率；杨建平等[6]对小净距隧道在不同荷载释放比例下不同支护时机的围岩稳定性影响进行了研究分析；杨灵等[7]对隧道开挖后不同释放荷载系数下施加支护的效果进行了分析，表明释放荷载系数为60%～70%是理论最佳支护时机；张建海等[8]基于脆性围岩的“适时加固”思想以及地下工程时效变形特征，提出了最优支护时机的近似计算公式。

王家厂水库是一座运行了60多年的大（Ⅱ）型水库，由于研究深度不够，除险加固后依然存在众多病险，十分有必要对其病险现状进行评估，开展风险分析，并提出除险加固时机。

1 大坝病险现状

王家厂水库兴建于1958年，经历两次加高培厚，至2007年6月底除险加固全面竣工。由于当时各方面条件的限制，设计不够合理，施工存在问题，2018年经勘察，发现存在多处病险：

1）溢洪道堰体出现裂缝、侧墙高度不满足现行规范要求、弧形闸门锈蚀严重、起闭设备老化，特别是进口明渠边坡破坏严重，如图1所示。

图1 大坝进口明渠边坡现状

2）坝体填土质量差，69～72 m标高以下合格率仅为70%，72 m标高以上合格率仅60%。受工艺限制，坝体压实度小于98%，含水量偏高，不满足规范要求。

3）主坝上游坝坡整体变形较大，局部大变形处于正常水位以下，导致护坡六棱块沉陷破坏，如图2所示。坝顶存在一条沿坝轴线贯通的裂缝，如图3所示。

图2 大坝局部大变形现状

图3 坝顶贯通的裂缝现状

2 水库大坝漫顶风险

1）基本资料。水库位于湖南省澧县澧水支流涔水干流中游，灌溉面积35万亩，坝址以上集雨面积484 km2，兼顾防洪、发电和养殖等综合效益。保坝洪水位86.65 m，设计洪水位84.10 m，正常蓄水位82.60 m，汛限水位为80.00 m。水库汛期4—9月平均最大风速12.5 m/s，主坝上游临水坡坡比为1∶2.5。

2）风险计算。用Z代表坝前水位，H代表坝顶高程，漫顶事件可表示为Z>H。坝前水位Z的影响因素主要有：起调水位Z0、洪水作用增加的水位L、风荷载作用引起的坝前水位风壅高度e和波浪爬高R。洪水漫顶事件发生的概率Pf表示为[9～10]：

根据风险因子量化的相关公式，将与水库大坝漫顶风险相关因子的不确定性量化，具体特征值见表1。

表1 部分工况漫顶风险因子的特征值

漫顶风险结果见表2。

表2 不同水位下漫顶风险率计算结果

由表2可知：水库漫顶风险概率小，坝顶无需加高，高程满足现行规范的防洪要求。但需修复支护溢洪道进口明渠边坡，更换启闭设施，防护流道建筑物，确保安全泄洪。

3 主坝变形稳定风险分析

1）计算条件。基于设计、施工资料以及坝址地质地貌信息等，建立王家厂水库土石坝三维整体有限元模型，如图4、图5所示，河床坝段地基边界：沿坝体坝踵和坝趾分别向上、下游截取200 m，深度方向延伸50 m。采用有限元强度折减法计算坝坡稳定。

图4 大坝材料分区模型

图5 大坝网格划分模型

2）参数反演。依据2003年监测数据，利用各向异性模型进行反演分析，得坝体材料参数如表3。

表3 土石坝坝体材料参数表

3）时序变形的风险趋势。通过逐步折减土体的抗剪强度参数，直到边坡达到临界破坏状态为止，此时得到的折减系数就是边坡的安全系数值Fs。对弹性模量折减，见式（3）；折减后的抗剪强度指标c′和φ′如下：

依据2005年、2008年、2012年、2015年监测数据，分别完成参数反演。依时序对不同工况进行有限元计算得到主坝变形特性，从主坝三维有限元模型中考察3个典型剖面如图5。异常沉降部位截取剖面1，最靠近异常沉降部位的观测点部位截取剖面2，主坝最宽处部位截取剖面3。

剖面2正常蓄水位82.6 m情况下的结果如表4。

表5和图6计算结果与监测值对比表明，不同年限的监测值和变形计算值误差较小，均不超过5%，表明反演确定的参数基本吻合大坝的整体变形，数值分析结果可信。

表4 剖面2不同年限计算值数值对比表

表5 剖面2监测值和变形计算值对比表

图6 不同年限作用下材料折减系数K1值

将反演所得参数与2003年反演所得参数进行对比，得到相关材料折减系数K1。土石坝坝体位移最大值、应力最大值呈增大趋势，计算值虽在规范内，但坝体按时序的变形风险在不断加大。

基于材料折减系数K1趋势图，推测2018年坝体材料折减系数为1.541，计算2018年王家厂水库在正常蓄水位82.6 m条件下变形情况如表6。

表6 2018年正常变形不同工况计算值

4）局部高风险趋势。2018年现场检测发现坝体局部大变形，沉陷部位相对坝体下沉约4 cm，推测该部位由于填筑质量差，在渗透作用下产生异常沉降。对异常沉降部位材料参数二次折减，在正常蓄水位82.6 m条件下结果如表7和表8。

表7 剖面1异常沉陷部位变形计算值对比表

表8 2018年异常变形不同剖面计算值

4 除险加固时机

1）变形预测模型。参考图6，材料折减系数K1变化符合指数函数关系，其随时间变化的拟合表达式：

计算得出2030年坝体材料折减系数为1.699。利用折减系数，选取不同工况，预测2030年王家厂水库变形情况，结果如表9。

表9 2030年不同工况计算值对比表

由表9可知：坝顶垂直位移、水平位移最大值随水位的增加呈增大趋势；坝体总位移、坝内最大压应力和最大压应力值也呈增加趋势。

基于变形计算值，预测坝体剖面2垂直位移最大值，对比异变前、异变后位移变化如图7。

图7 不同年限作用下剖面2垂直位移最大值

对时间t和剖面2垂直位移最大值采用指数衰减拟合，得最大位移随时间变化的模型：

2）加固时机。对比坝坡抗滑稳定最小安全系数规范值，反演得到折减系数K1为1.82时，安全系数满足规范要求，确定此时为最佳加固时机，计算结果见表10。

表10 坝坡抗滑稳定计算成果表

通过拟合公式反推安全系数临界值，理论上可选择2045年作为加固时机，此时水库变形情况计算数值见表11。

表11 2045年不同剖面计算值对比表

5 结论与对策

1）水库高程及泄洪能力满足现行规范的防洪要求，但需修复支护溢洪道进口明渠边坡，更换启闭设施，防护流道建筑物，确保安全泄洪。

2）坝体目前存在整体变形与局部异常变形，计算表明依时序变形的风险逐渐增大，最大位移均出现在上游同一高度区域，会影响坝体整体稳定安全；局部高风险区域变形会影响上游坝坡稳定。

3）虽然变形预测评价尚有时间裕度，但为安全起见，大坝加固宜早实施。建议增加坝基地质缺陷探查，并对坝体采取灌注黏土水泥类材料，提高密实度，控制变形。