3.2 大坝沉降与稳定分析
3.2.1 坝坡稳定计算
3.2.1.1 计算方法及假定
坝坡稳定复核计算采用中国水利水电科学研究院陈祖煜编制的“堆石坝边坡稳定计算程序STAB2008”，该程序计算方法满足《碾压式堆石坝设计规范》（DL/T5395—2007）有关规定。坝坡稳定安全系数采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算。
计算稳定渗流期坝坡稳定时，假定上游坝壳内浸润线与上游水位相同；心墙内与下游坝壳料内浸润线依据渗流计算成果确定。计算库水位降落情况下的上游坝坡稳定时，假定坝壳内浸润线位置同水位降落后的上游水位，而心墙内的浸润线按不降落考虑。
计算中地震工况采用拟静力法进行分析，校核地震采用100年超越概率0.01，基岩峰值水平加速为268gal，设计地震采用100超越概率0.02，基岩峰值水平加速为225gal。
3.2.1.2 计算工况
为了对瀑布沟砾石土心墙堆石坝各个时期坝坡静力稳定和抗震稳定性进行充分论证，结合该坝的特点，计算具体考虑了以下几种工况：
（1）正常蓄水位稳定渗流期上、下游坝坡稳定。上游为正常蓄水位：850.00m，相应下游水位：670.00m。
（2）死水位稳定渗流期上、下游坝坡稳定。上游为死水位：790.00m，相应下游水位：670.00m。
（3）设计洪水位稳定渗流期上、下游坝坡稳定。上游为设计洪水位：850.24m，相应下游水位：682.22m。
（4）水库水位非常降落60m时上游坝坡的稳定。上游水位自正常蓄水位850.00m降落至死水位790.00m。
（5）施工期上、下游坝坡稳定。上、下游均按无水考虑。
（6）校核洪水位稳定渗流期上、下游坝坡稳定。上游为校核洪水位：853.78m，相应下游水位：682.80m。
（7）正常蓄水位稳定渗流期遇8度地震工况上、下游坝坡稳定。上游为正常蓄水位：850.00m，相应下游水位：670.00m。
（8）死水位遇8度地震时上、下游坝坡的稳定。上游死水位：790.00m，相应下游水位：670.00m。
3.2.1.3 计算参数
选取河床中部典型剖面（拟合剖面）作为计算剖面。坝基及覆盖层参数根据地质专业覆盖层物理力学性指标建议值选取，坝料参数根据试验成果选取。由于坝壳材料的抗剪强度有随坝体应力变化呈非线性特性。因此，坝壳材料根据实验成果并参照以往工程经验采用线性和非线性强度指标分别进行计算分析。各材料计算指标见表3.1。
表3.1 各种计算工况对应心墙坝稳定计算参数表
3.2.1.4 计算成果及分析
滑裂面位置先用穷举法，再用最优化法进行搜索。计算地震工况时，垂直地震力分别计算向上和向下两个方向，计算成果取安全系数较小的方向（向上）。
坝壳料参数用线性和非线性参数分别进行了计算。坝坡稳定计算结果见表3.2。
表3.2 心墙坝稳定计算安全系数
续表
从表3.2可以看出，由于大坝的稳定主要由心墙料（包括反滤料、过渡料）及基础覆盖层控制，所以堆石坝壳料采用非线性参数和线性参数计算结果几乎一致，考虑到瀑布沟大坝坝坡稳定计算在前期阶段堆石料均采用线性指标计算，所以本次计算成果整理分析坝壳堆石料仍采用线性指标。
从表3.2及图3.2～图3.9表明，用简化毕肖普法计算圆弧形滑面，上、下游坝坡稳定都能满足设计要求，且安全系数较规范规定值有较大的提高。用摩根斯顿⁃普赖斯法计算沿砂层滑动的折线滑动面，各种工况大坝上、下游坝坡稳定安全系数均小于用简化毕肖普法计算圆弧形滑面的安全系数，但均能满足设计要求。
由计算成果可知，上游坝坡控制工况为死水位稳定渗流期遇地震，用毕肖普法计算圆弧形滑面最小安全系数为1.420，用摩根斯顿⁃普赖斯法计算沿砂层滑动的折线滑动面最小安全系数为1.306，满足规范要求。下游坝坡控制工况不同滑动面控制工况不一致，用毕肖普法计算圆弧形滑面最小安全系数为1.521，控制工况为正常蓄水位稳定渗流期遇地震；用摩根斯顿⁃普赖斯法计算沿砂层滑动的折线滑动面最小安全系数为1.225，控制工况为死水位稳定渗流期遇地震；这两种工况和不同的滑动面安全系数均满足规范要求。
表中计算了正常蓄水稳定渗流期和死水位稳定渗流期分别遭遇校核地震（ah＝268gal）的情况，计算结果表明此两种水位遇校核地震，坝坡稳定安全系数均大于1（最小为1.170）。
3.2.1.5 现场检测参数计算复核
根据瀑布沟《蓄水安全鉴定自检报告（第一阶段）》专家组意见，对于材料参数的选取，设计院和监理单位相差较大，因此本节采用监理单位的材料参数进行计算复核。由于坝壳料抗剪强度指标具有非线性，所以对坝壳料还采用非线性强度指标进行计算复核。
根据监理单位提供的《蓄水安全鉴定自检报告土建（第一分册）》，相关成果的参数见表3.3，计算成果见表3.4。
图3.2 正常蓄水稳定渗流期上、下游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
图3.3 死水位稳定渗流期上、下游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
图3.4 设计水位稳定渗流期上、下游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
图3.5 水库水位降落期上游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
图3.6 施工期上、下游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
图3.7 校核洪水位稳定渗流期上、下游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
图3.8 正常蓄水位稳定渗流期遇地震上、下游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
图3.9 死水位稳定渗流期遇地震上、下游坝坡危险滑弧示意图
①—砾石土心墙； ②—反滤料区； ③—过渡料区； ④—压重区； ⑤—漂卵石层； ⑥—含漂卵石层； ⑦—漂（块） 卵石层； ⑧—砂层透镜体；⑨—下游次堆石区； ⑩—下游主堆石区；
—上游堆石区；
—上游围堰；
—花岗岩；
—坝顶结构；
—水
表3.3 各种计算工况对应心墙坝稳定计算参数表（长勘院参数）
表3.4 心墙坝稳定计算安全系数（长勘院参数）
续表
对比不同的计算参数，监理提供的心墙料、反滤层、过渡层参数高于设计参数，但坝壳堆石料参数低于设计参数。由于大坝的稳定主要由心墙料（包括反滤料、过渡料）及基础覆盖层控制，所以安全系数计算结果用长勘院参数进行计算除上游坡圆弧滑裂面安全系数略小于设计参数计算的结果外，其他情况均略大于设计参数计算的结果，但差别均不大，说明用两套参数对比计算，瀑布沟大坝稳定均满足规范要求。
3.2.2 沉降计算分析
3.2.2.1 计算方法
根据《碾压式堆石坝设计规范》（DL/T5395—2007）附录G，采用分层总和法进行计算。
坝基任一点的竖向总应力应由坝基土体自重和因坝体荷载引起的附加应力叠加组成。因坝基土自重引起的竖向应力等于计算点单位面积以上至坝基表面的土柱重力。因坝体荷载引起的附加应力按以下方法计算。
假定坝基内应力分布从坝基面向下作45°扩散，并在每个水平面按三角形分布，三角形顶点与自重合力（R）作用线吻合；计算土层面上的最大竖向应力按下式计算
式中：pmax为坝基内计算土层面上的最大竖向应力；R为坝体自重合力；B为坝体底宽；y为坝基内计算点位于坝基面以下的深度。
各点的竖向应力按下式计算
式中：p为各点的竖向应力；pmax为坝基内计算土层面上的最大竖向应力；x为该点到自重合力作用线的水平距离；L为该深度下坝基内应力最远影响点到自重合力作用线的水平距离。
坝体沉降量按下式进行计算分层数。
式中：St为竣工时或最终的坝体和坝基总沉降量；ei0为第i层的起始孔隙比；eit为第i层相应与竣工时或最终的竖向有效应力作用下的孔隙比；hi为第i层土层的厚度；n为土层
受压层的计算深度为坝体附加应力等于坝基自重竖向应力的20%处的深度。竣工后的坝定沉降量应为最终沉降量减去竣工时沉降量的差值。
3.2.2.2 计算剖面及荷载模拟
由于堆石料的沉降量相对心墙料要小的多，因此此次计算只计算了心墙区的沉降量作为大坝沉降计算的控制标准。计算时分别选取河床最大剖面（桩号0＋280.00m剖面）、左岸典型剖面（桩号0＋128.00m剖面）和右岸典型剖面（桩号0＋431.00m剖面）三个剖面计算坝轴线位置的心墙区施工期、蓄水期和坝顶最终沉降量。
覆盖层计算分层厚度为10m，从建基面高程670.00m到基岩顶面600m共7层，其中上部2层（高程670.00～650.00m）为漂（块）卵石层（
），下部5层（高程650.00～600.00m）为含漂卵石层夹砂层透镜体（
）。
坝体计算分层厚度为20m，共分10级进行加载：第一级加载坝体填筑高程为690.00m、第二级加载坝体填筑高程为710.00m、第三级加载坝体填筑高程为730.00m、第四级加载坝体填筑高程为750.00m、第五级加载坝体填筑高程为770.00m、第六级加载坝体填筑高程为790.00m、第七级加载坝体填筑高程为810.00m、第八级加载坝体填筑高程为830.00m、第九级加载坝体填筑高程为850.00m、第十级加载坝体填筑高程为856.00m（坝顶高程）。
3.2.2.3 计算参数
坝体材料物理指标参数、压缩曲线是根据前期及技施阶段试验成果整理，具体见表3.5和表3.6。
表3.5 筑坝材料物理参数
表3.6 筑坝材料压缩曲线
3.2.2.4 计算结果
心墙区沉降计算成果见表3.7。
表3.7 计算成果表
