規范修訂對土石壩安全評價復核計算的影響

郝 潔，李 軍，賈海磊，潘文明

（水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京，210000）

0 引言

《水庫大壩安全鑒定辦法》（水建管〔2003〕271號）由水利部修訂頒布，2003年8月1日起施行。大壩安全評價包括工程質量評價、大壩運行管理評價、防洪標準復核、大壩結構安全、穩定評價、滲流安全評價、抗震安全復核、金屬結構安全評價和大壩安全綜合評價等幾個方面。根據《水庫大壩安全鑒定辦法》要求，“大壩實行定期安全鑒定制度，首次安全鑒定應在竣工驗收后5年內進行，以后應每隔6～10年進行一次”。大壩安全鑒定根據SL 258—2017《水庫大壩安全評價導則》[1]進行。近年來，有很多2000年后建成或完成除險加固的大壩進行了安全鑒定，即使水庫大壩建設時各項參數均符合當時的規范要求，復核結果也可能與原設計階段不同。在不考慮基礎資料更新的情況下，復核結果的不同主要源于設計階段和鑒定階段參照規范的變化。

水利規范的修訂是在總結成熟的工程經驗基礎上完善規范內容，并引進一些先進的設計理念和計算方法，但在實施過程中還需要分析規范的更新對安全評價的影響。宋恩來[2]對《水電站大壩安全管理辦法》在修訂和執行過程中遇到的洪水調度、壩頂防浪墻等問題進行了探討；李昱蓉等[3]對《水利水電工程鋼閘門設計規范》修訂的技術內容進行了詳細敘述和解讀。筆者針對中小型土石壩安全鑒定中有關規范修訂涉及的復核內容進行新舊規范的對比分析。

1 土石壩安全評價主要復核計算內容

土石壩安全評價主要復核計算內容根據SL 258—2017《水庫大壩安全評價導則》進行確定。

1.1 防洪能力復核

在防洪標準復核方面，對比SL 252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[4]和SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[5]，水庫大壩工程規模和工程等級的標準未變。

設計洪水復核及調洪計算有固定計算方法，與規范更新無關。

大壩抗洪能力復核方面，對比SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》[6]和SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》[7]、SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》[8]和SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》[9]，土石壩壩高計算方法和參數取值規定沒有變化；對比SL 253—2000《溢洪道設計規范》[10]和SL 253—2018《溢洪道設計規范》[11]，溢洪道的泄流能力計算方法有所更新。

1.2 滲流安全復核

根據修訂前后的《碾壓式土石壩設計規范》和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》，滲流穩定計算有一些區別；對比GB 50287—99《水利水電工程地質勘察規范》[12]與GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》[13]，滲透變形有所更新，將在下文進行說明。

1.3 結構安全復核

土石壩結構復核計算方面，依據《碾壓式土石壩設計規范》，新規范規定了壩坡穩定計算典型斷面的選擇要求，其他計算方法無明顯區別。

在《溢洪道設計規范》修訂前后版本中，溢洪道穩定性復核方法無明顯更新。

1.4 抗震穩定復核

依據《碾壓式土石壩設計規范》修訂前后的版本，抗震穩定計算方法有所更新，將在下文說明。

1.5 金屬結構復核

根據SL 258—2017《水庫大壩安全評價導則》11.1.3條文說明，對中小型水庫結構簡單的金屬結構，可以綜合現場檢查和安全檢測結果直接對安全性做出評價。據此，不對土石壩的金屬結構計算進行分析。

1.6 規范更新范圍

綜上所述，規范更新對土石壩安全評價復核計算的影響主要涉及泄流能力復核、滲流安全復核和抗震穩定復核三方面，下文將針對這三方面的規范更新對安全鑒定的影響進行分析。

2 泄流能力復核

土石壩的泄流建筑物多為自由出流寬頂堰，可根據《溢洪道設計規范》進行計算。2018年以前采用SL 253—2000《溢洪道設計規范》，2018年以后采用SL 253—2018《溢洪道設計規范》。

2.1 泄流能力對比分析

2018年新版規范和2000年老版規范相比，主要針對寬頂堰對側收縮系數專門作出規定，并增加考慮了上游引渠寬度對側收縮系數的影響。由于從公式中無法直觀看出變化規律，現利用案例進行兩個版本規范計算結果的對比和說明。

（1）某三孔溢洪閘，每孔凈寬2.5 m，平底溢洪閘閘門全開非淹沒出流，同樣情況下，根據新老規范計算泄流能力見圖1。

圖1 某三孔溢洪閘泄流能力Fig.1 The discharge capacity of a three-hole spill gate

（2）某雙孔溢洪閘，每孔凈寬5 m，平底溢洪閘閘門全開非淹沒出流，同樣情況下，根據新老規范計算泄流能力見圖2。

圖2 某雙孔溢洪閘泄流能力Fig.2 The discharge capacity of a two-hole spill gate

（3）某單孔、凈寬7 m、平底溢洪閘閘門全開非淹沒出流，同樣情況下，根據新老規范計算泄流能力見圖3。

（4）某單孔、凈寬3 m、平底溢洪閘全開非淹沒出流，同樣情況下，根據新老規范計算泄流能力見圖4。

圖4 某單孔凈寬3 m溢洪閘泄流能力Fig.4 The discharge capacity of a single-hole spillgate with a net width of 3 m

由圖1~2可知，在引渠寬度不大于閘孔總凈寬1.5倍時，同水位下，新規范計算多孔寬頂堰泄流能力均較老規范大。由圖3~4可知，引渠1.5倍閘孔總凈寬時，新規范計算單孔寬頂堰泄流量與老規范結果基本一致；引渠1倍閘孔總凈寬時，新規范泄流量大于老規范計算值。

圖3 某單孔凈寬7 m溢洪閘泄流能力Fig.3 The discharge capacity of a single-hole spill gate with a net width of 7 m

綜上所述，在引渠寬度不大于閘孔總凈寬1.5倍時，新規范計算寬頂堰平底閘過流能力較老規范偏大或基本一致，故在基礎數據不變的情況下進行調洪，平底閘在閘門全開時設計及校核水位一般會有所降低或保持一致。在此情況下，考慮到原設計經審批且數據偏保守，依舊建議采用原設計及校核水位作為水庫特征水位。

2.2 對壩頂超高的影響

大中型水庫根據SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》和SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》，小型水庫根據SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》和SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》，在不同時期的規范中，土石壩壩高計算方法和參數取值規定沒有變化，由于特征水位一般沒有改變，根據老規范設計的壩頂高程在安全評價時依舊符合規范要求。

3 滲流穩定復核

土石壩滲流穩定復核主要依據規范：大中型水庫根據SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》和SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》，小型水庫根據SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》和SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》。

滲透變形判別的主要依據為GB 50287—99《水利水電工程地質勘察規范》和GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》。

3.1 滲流穩定對比分析

SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》8.1.2穩定滲流計算相對SL 189—96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》增加了設計及校核洪水位的復核，主要為抗滑穩定復核提供依據。

SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》僅要求對1、2級壩及高壩滲流計算采用數值法，其他情況可采用公式法，而2020版規范規定滲流計算均采用數值法進行，并確定了滲流計算幾何模型的要求，即滲流模型的邊界選取及分區的精準性。

《碾壓式土石壩設計規范》修訂后可能造成計算水力比降和浸潤線有所改變，但會比原規范結果更加符合實際情況。

3.2 滲透穩定性判別對比分析

GB 50287—99《水利水電工程地質勘察規范》中用細粒含量判斷土的滲透變形為管涌或流土，由于該項存在一定的不確定性，在2008版規范中進行了刪除。

流土的滲透坡降計算公式在2008年版規范中無更改，采用公式為2008版規范G.0.6-1（即99版規范M.0.3-1）：

式中，J cr為臨界水力比降；G s為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率。

2008版規范條文說明中注明了流土的滲透坡降計算公式不適用于黏性土，但在2008年以前的設計報告中，黏性土的臨界水力比降多采用上述公式，該公式計算臨界水力比降較小，當安全系數為2時，允許水力比降一般不大于0.5。

目前在實際安全評價中，黏性土的滲透坡降推薦采用劉杰提出的計算公式[14]，臨界水力比降為：

式中，C為土的抗滲凝聚力（kPa），根據液限進行取值。

對比規范中流土滲透坡降公式與劉杰的黏性土滲透坡降公式可知，劉杰的公式后項已大于規范公式，且劉杰的公式在計算中尚需加上抗滲凝聚力，故計算結果必然大于規范流土公式。

根據劉杰的《土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓》，該式計算一般黏性土抗滲強度見表1。

表1 一般黏性土的抗滲強度Table 1 The anti-permeability strength of common clay soil

2008版規范中未推薦使用劉杰的公式計算黏性土的臨界水力比降，一方面可能是由于黏性土的臨界水力比降一般大于非黏性土，若已滿足非黏性土的臨界水力比降，則黏性土情況是安全的；另一方面，GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》并非專用于水利設計的規范，根據不同行業情況和地勘的深度，黏性土的臨界水力比降公式會由于參數的可獲取性有所區別。

土石壩安全鑒定中，劉杰的公式所需參數在水庫大壩地質勘察中均可獲取，適宜用于土石壩的滲流穩定分析，且規范中已明確說明G.0.6-1公式不適用于黏性土，若依舊使用該公式計算臨界水力比降確實不合適。故筆者認為，可以使用劉杰的公式作為黏性土水力比降的計算方法。

故黏性土的允許水力比降在安全評價中會有明顯增加，即使考慮計算方法改為數值法，復核計算時一般也沒有安全性的問題，而非黏性土的水力比降計算，根據規范更新，沒有明顯區別。

3.3 對抗滑穩定的影響

土石壩的穩定計算在滲流計算的基礎上進行，根據浸潤線變化，抗滑穩定系數和原設計一般有所區別。通常情況下，原設計抗滑穩定安全系數都有較大的余裕，在安全評價復核中一般不會發生抗滑穩定安全系數不足的情況。

4 抗震穩定性計算

土石壩抗震穩定復核主要依據規范：SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》規定抗震穩定計算應按SL 203—97《水工建筑物抗震設計規范》[15]執行；SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》規定抗震穩定計算應按GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計規范》[16]執行。

4.1 抗震穩定計算方法對比

根據SL 203—97《水工建筑物抗震設計規范》，采用擬靜力法進行抗震穩定計算時，對于均質壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，可采用瑞典圓弧法進行；根據GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計規范》，土石壩抗震穩定計算改為宜采用基于計及條間作用力的劃弧法。原因在《碾壓式土石壩設計規范》8.3.15~8.3.18條文說明中闡釋，瑞典圓弧法計算簡單，便于手算，但結果往往失真，目前工程設計幾乎都采用計算軟件完成，能快捷獲得計及條間作用的抗滑穩定系數。該項規范更新增加了抗滑穩定計算的可靠性，在實際安全鑒定中，復核抗滑穩定系數一般都滿足規范要求。

4.2 壓實度參數對比

根據SL 203—97《水工建筑物抗震設計規范》，對于無黏性土壓實，浸潤線以下材料的相對密度根據設計烈度大小，選用0.75~0.85。在GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計規范》中，規定浸潤線以下材料的相對密度不應低于0.80。

該條目更改了對浸潤線以下無黏性土壓實度的要求，但一般情況，設計時都已經考慮一定的富余，且經過數年的時間，填土的壓實度一般都會有所增加，在安全鑒定中一般能滿足規范要求。

5 結語

規范修訂在總結成熟工程經驗的基礎上完善了規范內容，引進一些先進的設計理念和計算方法，為土石壩安全鑒定提供科學依據。

（1）大壩安全鑒定的復核工作不是對原設計的重復復核，需要根據基礎資料的更新、工程改建及規范更新對現有工程進行評價。

（2）對于土石壩安全鑒定，2000年后設計或除險加固的工程參數，若不考慮基礎資料的更新和工程改建情況，規范的更新主要影響泄流能力復核、滲流穩定復核及抗震穩定復核。

（3）泄流能力復核計算寬頂堰平底閘過流能力較原規范偏大或基本一致，據此復核特征水位較設計偏小，考慮到原設計經審批且數據偏保守，依舊建議采用原設計及校核水位作為水庫特征水位。根據老規范設計的壩頂高程在安全評價時依舊符合規范要求。

（4）滲流穩定復核中，黏性土允許水力比降在安全評價中會有明顯增加，即使考慮計算方法改為數值法，復核計算時一般也沒有安全性的問題。

（5）抗震穩定復核時，建議計算方法由瑞典條分法改為簡化畢肖普法，更為準確；更改了對浸潤線以下無黏性土壓實度的要求。在復核時一般都能滿足規范要求。

綜上所述，主要的規范更新內容幾乎不會造成原設計參數不符合現行規范的情況，但部分計算方法和參數選取在安全鑒定中需要注意與原設計的差異。