土石坝安全分析评价方法

土石坝安全分析评价方法
摘要：上世纪中叶，我国建设了大批土石坝，为农业发展发挥了巨大作用。

因受当时条件限制，工程多为“三边工程”，水文、地质资料缺乏，部分水库甚至无设计资料。

加之施工落后、运行管理差，工程病害严重。

为查明工程病害从而彻底治理并消除险情，对土坝进行安全分析评价是一项重要的手段。

本文就土坝的现场检查、防洪标准复核、渗流分析、结构安全等几方面阐述了土坝安全评价具体方法。

关键词：土坝安全分析方法
1 工程现状及安全分析的意义
上世纪五、六十年代，全国修建了大批土石坝，为农村农业的发展起到了“水利是农业的命脉”的作用。

全国失事的水库共计2390余座。

统计分析原因有：防洪标准不够占50%；工程质量差占35%；管理落后占10%；其他占5%。

石柱土家族自治县现有小（二）型以上水利工程45处，其中病险水库30座，占67%。

病险水库存在的主要问题：一是防洪标准未达到国家标准（或无溢洪道），存在严重的防洪安全问题；二是水库大坝坝坡稳定性差、坝体（坝基）渗漏严重、放水设施失效或老化；三是大坝无安全监测设施，管理设施落后，部分水库甚至不通电话、公路、无水库管理房；四是运行管理水平落后，科技含量不高。

土坝安全分析评价的意义：通过分析评价，全面查找土坝的安全隐患，为工程制定应急抢险方案和工程除险加固彻底消除病害提供可靠依据。

下面从土坝现场检查方法、防洪标准复核、渗流分析、结构安全几方面阐述土坝安全分析的具体方法。

2 土坝现场检查方法
土坝的现场检查是发现工程病害和分析原因的重要手段。

本文认为应从以下几方面进行检查。

坝顶检查有无裂缝、塌坑、倾斜等变形，尤其坝下埋管附近的坝顶沉降情况，分析其是人为或质量或运行引起。

（实践中发现坝顶中部沉降达0.5～1.2米。

）设有防浪墙的应检查其有无开裂、架空、错位等异常现象。

上游坝面坝面护坡是否完好，有无裂缝、剥落、滑动、隆起、塌坑、风浪淘刷等现象；植物生长情况；附近水面有无气泡或旋涡。

下游坝面检查坝面有无裂缝、剥落、滑动、隆起、塌坑（距坝下游较远的
地方也应检查）；雨淋沟及分布；散浸、冒水；有无兽穴、蚁穴。

排水体排水体有无变形；渗漏量及颜色气味等；必要时应开挖检查排水体是否正常，实践中发现有的排水体为泥岩块体砌筑，泥岩风化后排水体已经失效。

坝端坝体与岸坡连接部位有无裂缝、滑坡、溶蚀、绕渗。

岸坡检查有无阴湿、渗水、流土现象，分析是否存在绕渗。

护岸结构是否稳定及异常现象。

放水设施检查有无淤积、堵塞、渗水、裂缝，连接部位有无裂缝。

出口部位有无渗水以及放水时的水流形态，检查消能设施的情况。

工作桥检查工作桥有无裂缝、不均匀沉降等异常现象。

溢洪道进水段有无塌岸、堵水堆积物；堰顶、闸室、边墙有无裂缝、冲蚀、渗水等；消能设施有无异常。

观测设施是否完好。

完成以上工作的同时应向原设计、施工的有关人员了解情况，结合现场检查的情况综合分析。

3 防洪标准复核
通过对失事水库的分析得知，防洪标准不够是造成水库大坝失事的主要原因之一。

通过对我县3座小（一）水库大坝和24座小（二）型水库大坝的安全分析，总结出应从以下方面进行复核。

基础资料首先应复核集雨面积F、河道长L、河道比降I等流域参数。

其次，应复核水库H-F、H-V曲线。

同时还应收集到水库下游受洪水影响的工矿企业、学校、居民等情况（确定工程等级和洪水标准有重要意义）。

防洪标准的确定按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定进行工程等级划分并确定洪水标准。

设计洪水计算对小型水利工程应按照《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中推荐的方法进行计算。

洪峰流量；洪水总量；洪水过程线、、；基流。

水库调洪演算依据设计洪水计算成果和H-V、H-F曲线，采用数值解分时段调洪演算确定水库下泄洪水过程线H-t、Q-t，从而得到各设计频率洪水的下泄洪峰流量和设计水位、校核水位。

该方法中，所分时段应尽量短，以提高演算精度。

水库抗洪能力复核首先计算波浪爬高R和风雍高度e并确定安全超高A，坝顶超高Y=R+e+A，各频率洪水位加坝顶超高以复核坝顶高程是否满足要求。

计算溢洪道水面曲线并复核边墙高度；进行消能计算复核消力池深和长度是否满足要求。

4 渗流分析
渗流分析的主要目的是复核原设计施工的渗流控制措施和当前的实际渗流状态能否保证大坝安全运行。

由于小型水利工程缺乏日常监测资料，渗流分析主要方法是现场检查结合必要的地勘工作综合分析。

对没有地质资料的水库应有针对性的进行以下地质工作：收集基础开挖、清基、基础处理情况，如果坝基曾灌浆应对灌浆质量进行评价，同时应召集当时参与建设的知情人员进行了解收集情况；提供岩土物理力学指标，确定该指标应避免出现片面或错误理解运用类比法，应注意可比性。

现场检查坝基、坝体、坝肩渗水是否浑水或可疑物质，出水位置情况，坝坡有无湿软、出水、塌陷、翻砂、隆起，坝下埋管有无接触渗漏，渗流与库水位的既往关系等，前面在现场检查中已详细说明此不再累述。

根据提供的物理力学指标进行坝体渗漏及浸润线计算，复核其渗透比降是否满足规范要求，最好采用观测孔或钻孔实际测得的浸润线成果进行复核。

浸润线公式：；。

对渗漏量分析应着重研究当前观测值与历史显现值的相对变化、渗漏水的水质和携带物质及其与库水位的变化情况，必要时取水样进行水质化验分析。

5 结构安全
结构安全分析的目的是按规范复核计算大坝（含近坝库岸）目前在静水条件下的变形、强度及稳定是否满足要求，土石坝的重点是变形及稳定分析。

大坝变形分析包括沉降分析、水平位移分析、裂缝分析。

对于小型水利工程主要是现场检查法结合计算进行分析。

沉降计算采用分层总和法或有限元法计算。

评价坝体变形性状及坝体沉降是否稳定。

大坝稳定计算稳定分析计算的工作条件应采用大坝现状的实际环境条件和水位参数。

另有水库在除险加固过程中放空库容发生上游坝坡滑坡、开裂。

坝坡抗滑稳定安全系数计算公式：；各个工况都应收索到最不利滑弧，并对得到的最不利滑弧进行分析其合理性。

近坝库岸检查其有无异常变形情况，历史滑坡变形情况以及对大坝安全的危害。

分析计算是否存在潜在的滑坡危险，计算方法仍然采用瑞典圆弧法。

溢洪道检查有无破坏等情况；其次应计算溢流堰、边墙抗滑和抗倾稳定，底板抗冲和抗浮安全系数。

在确定荷载组合时应特别注意扬压力不能忽略，以及
消力池底板抗浮稳定验算。

抗浮公式：
（底板自重，顶面时均压力，地基有效重量，板顶脉动压力，底板扬压力）；
控制堰抗倾：；边墙抗滑：。

放水设施重点是现场检查，有无开裂、垮塌等破坏及异常现象。

6 结语
土坝安全分析评价是对土坝“查病”的重要途径，在对我县3座小（一）型和24座小（二）型水库大坝的分析评价过程中，作者进行了一些有益的探索和方法总结，其分析评价成果得到了水利部门相关专家的认可。

因此，本文认为从以上几方面进行土坝（特别是小型工程）安全分析能全面查清土坝的病害情况，为制定应急方案和除险加固设计奠定基础。

参考文献：
1.《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）
2.《土坝设计》
3.《水工设计手册》
4.《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》
5.《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）
6.《溢洪道设计规范》（SL253-2000）
7.《土坝加固技术》。