華山水庫(kù)除險(xiǎn)加固大壩計(jì)算分析

戴成宗

(遼寧省喀左縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 喀左122300)

1 水庫(kù)概況

華山水庫(kù)始建于1971年，1973年竣工，初設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為50 a，校核標(biāo)準(zhǔn)為100 a，總庫(kù)容118.8 萬(wàn)m3，屬小(Ⅰ)型水庫(kù)。

華山水庫(kù)原設(shè)計(jì)壩型為干插砌石壩，由農(nóng)建民兵團(tuán)施建，因不是正規(guī)的施工隊(duì)伍施工，施工質(zhì)量得不到認(rèn)真控制，干插砌石壩實(shí)際修成了碎石、砂殼混合壩。據(jù)調(diào)查，當(dāng)時(shí)工程建設(shè)是邊設(shè)計(jì)、邊施工，連設(shè)計(jì)方案對(duì)比的時(shí)間都不給，在實(shí)踐中去完善設(shè)計(jì)，而不去用設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工，技術(shù)人員的主要工作是高程及平面控制測(cè)量，材料質(zhì)量、填筑質(zhì)量由施工隊(duì)伍中抽調(diào)上來(lái)的施工員去具體指導(dǎo)監(jiān)督［1］。因此，各方面質(zhì)量存在著嚴(yán)重缺陷，終于造成了險(xiǎn)庫(kù)一座，以至于至今都不能正常蓄水發(fā)揮效益。

2007年喀左縣水利局對(duì)華山水庫(kù)做了安全分析評(píng)價(jià)報(bào)告，確認(rèn)該水庫(kù)為病險(xiǎn)庫(kù)。確認(rèn)后的壩型為黏土心墻砂殼壩，壩頂高程522.7 m，防浪墻頂高程523.9 m，心墻頂部高程521.5 m，最大壩長(zhǎng)150 m，壩底寬92 m。溢洪道為b 型駝峰堰，堰寬24.4 m，堰頂高程519.6 m。輸水洞建在大壩左端，為0.6 m×0.7 m，鋼筋混凝土方涵，最大輸水量0.4 m3/s，進(jìn)口底部高程508 m，不參與泄洪。華山水庫(kù)初建時(shí)洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a，2002年除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)將其校核標(biāo)準(zhǔn)提高到500 a 一遇。提高標(biāo)準(zhǔn)后的水庫(kù)死庫(kù)容為5.14 萬(wàn)m3(淤積3.5 萬(wàn)m3)，相應(yīng)水位508.00 m;正常蓄水位519.6 m，相應(yīng)庫(kù)容81.6 萬(wàn)m3;校核洪水位522.41 m，相應(yīng)庫(kù)容114.1 萬(wàn)m3。

2 水庫(kù)除險(xiǎn)加固的必要性

華山水庫(kù)其主要功能為防洪與農(nóng)業(yè)灌溉，兼顧養(yǎng)魚及旅游，水庫(kù)原設(shè)計(jì)灌溉面積186.67 hm2，水庫(kù)建成后，配套了左、右兩條灌渠，灌溉面積一度達(dá)到了186.67 hm2，水利條件的改善，使華山水庫(kù)下游灌區(qū)的作物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了新的變化，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。

遼西地區(qū)處于干旱半干旱地區(qū)，水資源十分寶貴。水庫(kù)工程對(duì)于喀左縣這個(gè)以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主的少數(shù)民族地區(qū)來(lái)說(shuō)有著特別重要的意義。鑒于水庫(kù)的功能和存在的問(wèn)題，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固是十分必要的。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民群眾迫切希望能得到一個(gè)安全舒適的環(huán)境，因此對(duì)水庫(kù)的綜合利用要求也越來(lái)越高，特別是下游的人民群眾，對(duì)華山水庫(kù)工程的安全更為關(guān)注。縣委、縣政府及各級(jí)有關(guān)部門也極為重視和關(guān)心，主要領(lǐng)導(dǎo)及專家曾多次親臨工程現(xiàn)場(chǎng)察看，并進(jìn)行過(guò)3 次規(guī)模不等的維修加固工作。對(duì)華山水庫(kù)工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固，不僅是對(duì)華山水庫(kù)本身產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，而且也有社會(huì)效益，同時(shí)解除了洪水對(duì)土地和交通設(shè)施的威脅，人民群眾更能安居樂(lè)業(yè)，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定大有好處。為此，應(yīng)盡快進(jìn)行水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的實(shí)施，以保證工程安全運(yùn)行，充分利用資源，發(fā)揮工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［2］。

3 水庫(kù)的任務(wù)和規(guī)模

華山水庫(kù)位于喀左縣臥虎溝鄉(xiāng)水泉溝村境內(nèi)，四家子河上游。該流域?qū)俅罅韬铀狄患?jí)支流，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚、旅游為一體的小(Ⅰ)型水庫(kù).

華山水庫(kù)初建設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為100 a。2002年除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)將其校核標(biāo)準(zhǔn)提高到500 a一遇。本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，依據(jù)國(guó)家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—94)的規(guī)定，華山水庫(kù)為小(Ⅰ)型水庫(kù)，主要建筑物為4 級(jí)，故采用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30 a，校核標(biāo)準(zhǔn)為300 a。

4 大壩壩體存在的問(wèn)題

大壩壩體存在的問(wèn)題主要有以下6個(gè)方面:

由于水庫(kù)建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，又缺乏完整的設(shè)計(jì)資料，壩體結(jié)構(gòu)方案幾經(jīng)變化，工程技術(shù)人員多次變更，加之施工方法、施工設(shè)備落后，無(wú)必要的檢測(cè)設(shè)備，施工質(zhì)量存在著嚴(yán)重不足。

1)防浪墻頂部沿壩軸線方向開裂，最大裂口寬1cm左右。大壩自左至右0 +130 處橫向斷裂一處。

2)靠近溢洪道一側(cè)的上壩臺(tái)階已發(fā)生沉陷，護(hù)坡石亦有滑落現(xiàn)象。

3)實(shí)測(cè)上游壩坡為1∶1.25，下游壩坡為1∶1.5。

4)根據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果，心墻土滲透系數(shù)一般為2.2 ×10－5～2.6 ×10－5cm/s，平均值為2.33 ×10－5cm/s，屬中等透水—弱透水土體，其防滲性能不能滿足q ＜1 ×10－5cm/s 規(guī)范強(qiáng)制性條文的要求。

5)沒(méi)有觀測(cè)設(shè)施。

6)經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算，土壩上游坡穩(wěn)定計(jì)算的邊坡系數(shù)大于允許值，不符合規(guī)范要求，需進(jìn)行加固處理。

4.1 壩體加固設(shè)計(jì)

4.1.1 壩頂結(jié)構(gòu)

華山水庫(kù)大壩現(xiàn)狀壩頂寬4 m，根據(jù)小(Ⅰ)型病險(xiǎn)水庫(kù)初步設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)審查指導(dǎo)原則，壩頂寬維持現(xiàn)狀，寬度仍為4 m，防浪墻寬為0.8 m，地面以上高1.2 m，M7.5 砂漿砌塊石砌筑，壩頂為100 mm厚碎石路面，下游壩肩處設(shè)混凝土路肩石，每15 m設(shè)排水孔一個(gè)，大壩上下游均為散坡排水。

4.1.2 壩坡處理

華山水庫(kù)已運(yùn)行35 a，由于壩坡陡峻、風(fēng)浪拍擊和凍融因素影響，大壩上游曾出現(xiàn)了局部沉陷和滑坡現(xiàn)象，此次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，對(duì)上游水下部分進(jìn)行拋石加寬，或選擇庫(kù)水干涸期。直接進(jìn)行填筑，比降為1∶3.0。上游水上部分比降為1∶2.5，干砌石護(hù)坡。下游壩坡比降為1∶2.0，509.5 m高程以上為碎石護(hù)坡，以下為砌石排水體。

4.2 壩頂高程復(fù)核

4.2.1 壩頂超高

壩頂超高計(jì)算公式為:

式中:y 為壩頂超高，m;R 為最大波浪在壩坡上的爬高，m;E 為最大風(fēng)雍水面高度，m;A 為安全加高，m;根據(jù)規(guī)范要求，正常運(yùn)用情況A =0.5 m，非常運(yùn)用情況A =0.3 m，地震涌浪高度取1.2 m。

4.2.2 計(jì)算條件

4.2.2.1 計(jì)算風(fēng)速的確定

根據(jù)喀左縣氣象站1959—2007年48 a的風(fēng)速觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料，算得平均最大風(fēng)速為12.95 m/s，風(fēng)速感應(yīng)器高度為10.2 m，高度修正系數(shù)為1.0，故確定距地面10 m最大風(fēng)速為12.95 m/s，設(shè)計(jì)風(fēng)速W設(shè)為年平均最大風(fēng)速的1.5 倍，即19.43 m/s，校核情況下W校仍為12.95 m/s。

4.2.2.2 風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度

在1∶200庫(kù)區(qū)地形圖上按垂直壩軸線量得正常運(yùn)用情況下的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度D正為630 m，非常運(yùn)用條件下D非=890 m。

4.2.2.3 水域的平均水深

根據(jù)計(jì)算的特征水位及庫(kù)內(nèi)淤積高程算得正常高水位時(shí)的水域平均水Hm正為10.0 m，校核洪水位時(shí)的平均水深Hm校為12.17 m。

4.2.3 最大風(fēng)雍水面高度計(jì)算最大風(fēng)雍水面高度計(jì)算公式為:

則:e =0.004m

4.2.4 計(jì)算風(fēng)浪爬高Rm 及Rp

風(fēng)浪爬高的計(jì)算公式為:

1)正常高水位時(shí):

2)校核洪水位時(shí):

4.2.4.1 正常運(yùn)用情況(采用莆田公式)

平均波高的計(jì)算公式為:

式中:0.025hm=0.006，hm=0.24

平均波周期Tm 的計(jì)算公式為:

平均波長(zhǎng)Lm 的計(jì)算公式為:

平均波浪爬高Rm 的計(jì)算公式為:

頻率為1%時(shí)的波浪爬高Rp 的計(jì)算公式為:

則:Rp =0.86 m

4.2.4.2 非常運(yùn)用情況(采用莆田公式)

平均波高計(jì)算公式為:

式中:W =12.95 m/s;D =890;0.025hm= 0.01，hm=0.4 m

平均波周期Tm 的計(jì)算公式為:

平均波長(zhǎng)Lm 的計(jì)算公式為:

平均波浪爬高Rm 的計(jì)算公式為:

則:Rp =0.89 m

4.3 壩頂高程和防浪墻頂高程

各種情況下的壩頂高程和防浪墻頂高程見表1。

按此次300 a校核標(biāo)準(zhǔn)，求得華山水庫(kù)防浪墻頂高程為523.61 m，比原防浪墻頂高程523.9 m 低0.29 m，原高程滿足要求。故此確定此次設(shè)計(jì)防浪墻頂高程仍為523.90 m，壩頂高程為522.70 m。

表1 各種情況下的壩頂高程和防浪墻頂高程

5 設(shè)計(jì)斷面穩(wěn)定計(jì)算

5.1 大壩穩(wěn)定校核

上游坡坡比自上而下為1∶1.25、1∶1.5，下游坡坡比自上而下為1∶1.5、1∶1.5。

壩頂寬4.0 m，壩頂高程522.7 m，壩腳高程501.7 m。

5.1.1 計(jì)算參數(shù)的選取

大壩土料計(jì)算指標(biāo)見表2。

表2 大壩土料計(jì)算指標(biāo)

5.1.2 浸潤(rùn)線計(jì)算

采用北京理正軟件研究院編制的《理正滲流分析計(jì)算軟件》進(jìn)行計(jì)算，采用滲流問(wèn)題有限元法進(jìn)行計(jì)算。滲流分析計(jì)算成果見表3。

表3 滲流分析計(jì)算成果表

5.1.3 穩(wěn)定計(jì)算

采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正邊坡穩(wěn)定分析軟件》計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。穩(wěn)定計(jì)算成果見表4。

計(jì)算項(xiàng)目:設(shè)計(jì)水位

經(jīng)過(guò)計(jì)算，土壩上游坡穩(wěn)定計(jì)算的邊坡系數(shù)大于允許值，不符合規(guī)范要求，需進(jìn)行加固處理。

5.1.4 穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算項(xiàng)目:正常高水位(前坡)+地震

大壩穩(wěn)定計(jì)算成果見表5。

表4 穩(wěn)定計(jì)算成果表

表5 大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表5 可看出，設(shè)計(jì)斷面邊坡穩(wěn)定系數(shù)在任何工況下均大于規(guī)范允許的安全系數(shù)，所以土壩的設(shè)計(jì)邊坡是穩(wěn)定的。

［1］楊育才. 大北溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程效益淺析［J］. 陜西水利，2009(01):82－83.

［2］潘世勇. 論水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)［J］. 黑龍江水利科技，2014，42(01):120－123.