喇嘛畔水庫大壩穩定分析及加固設計

魯彥佑

（橫山縣水庫移民管理辦公室陜西橫山719100）

喇嘛畔水庫大壩穩定分析及加固設計

魯彥佑

（橫山縣水庫移民管理辦公室陜西橫山719100）

本文通過分析喇嘛畔水庫基本概況和大壩病險問題，對大壩除險加固的方法進行了探討，提出采用簡化畢肖普法對加固后大壩的穩定性進行論證，以確保除險加固后的水庫大壩安全穩定。

水庫大壩；穩定分析；方案設計

1　概況

喇嘛畔水庫位于橫山縣雷龍灣鄉永忠村，所在河流無定河支流黑河。喇嘛畔水庫總庫容55萬m3。該水庫于1971年3月動工修建，于1972年8月竣工，是一座具有農業灌溉、防洪、養殖等綜合效益的小（二）型水庫。喇嘛畔水庫控制流域面積10km2，主溝道長4.2km，河道平均比降4‰。水庫流域屬風沙區與黃土丘陵溝壑區過渡地帶，風沙區波狀沙丘起伏不平，相對高差不大；過渡區相對溝谷發育，地形破碎、植被差。該水利樞紐區地震基本烈度為Ⅵ度。

水庫由當時的雷龍灣鄉永忠村組織群眾興建，是一座典型的三無水庫。1972年8月竣工后，也沒有留下任何竣工文件和圖紙。1982年陜西省水利廳組織“三查三定”，核定該水庫屬小（二）型Ⅴ等工程。防洪標準按20年一遇洪水設計和200年一遇洪水校核。

樞紐工程主要由大壩、放水建筑物組成。大壩為水力充填均質沙土壩，最大壩高7.84m，壩頂長258m，壩頂寬12.46m，大壩迎水坡坡比為1∶2.1，背水坡坡比為1∶1.8。喇嘛畔水庫投入運行39年來，發揮了較好的社會效益和經濟效益。

2　水庫大壩存在的主要問題

喇嘛畔水庫屬典型的三無水庫，截止目前庫區共攔截泥沙6萬m3，隨著運行時間的延長，庫水位相應抬高，大壩出現了不少隱患，嚴重影響著大壩的安全。根據《大壩安全鑒定報告書》，設計人員對水庫大壩進行了較全面、系統的現場查勘，確認喇嘛畔水庫大壩目前存在以下防洪安全及工程質量問題：

（1）大壩上游坡未砌護，受庫水風浪淘刷嚴重；大壩迎水坡坡面不平整，沒有防護措施，受庫水風浪淘刷已形成0.5m～1m高的陡坎；

（2）大壩下游壩坡無排水設施沖溝現象嚴重；背水坡坡面高低不平、雜草叢生，無排水溝，有沖溝及動物洞穴；

（3）現有放水設施坍塌毀壞嚴重，不能正常運行；

（4）無管理設施，無防汛、搶險設備；進壩防汛路坑凹不平，難以滿足防汛搶險的要求。

按《水庫大壩安全鑒定辦法》規定，該水庫應立即進行除險加固，使水庫盡快達到核定的設計標準，并能按設計要求正常運行。

3　大壩加固設計

3.1壩頂高程復核

喇嘛畔水庫設計洪水位為988.934m，校核洪水位為992.185m，依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274—2001）規定，壩頂高程等于水庫靜水位與超高之和。應分別按以下情況計算，取其最大值：

設計洪水位+正常運用條件的壩頂超高；校核洪水位+非常運用條件的壩頂超高；正常蓄水位+正常運用條件的壩頂超高。壩頂超高及設計壩頂高程計算成果見表3-1。

表3-1　壩頂高程復核計算成果表

表3-2　大壩穩定計算結果表

圖3-1　原狀正常蓄水位上游坡穩定計算簡圖

圖3-2　原狀正常蓄水位下游坡穩定計算簡圖

從表3-1中可以看出：大壩在遭遇20年一遇設計洪水時，設計洪水位988.934m，計算壩頂高程為990.51m，小于現狀壩頂高程992.34m；遭遇200年一遇校核洪水時，校核洪水位992.185m，計算壩頂高程為993.34m，高于現狀壩頂高程（992.34m）1.0m。由此可知，現狀壩頂高程不滿足200年一遇洪水防洪要求。

3.2穩定計算

通過穩定計算，驗算分析壩體上下游邊坡在各種工況下的穩定性，進而為判斷壩坡是否穩定提供主要依據。依據《碾壓式土石壩設計規范》規定，對水庫大壩進行穩定分析計算。在各種計算工況下，大壩穩定計算最小安全系數結果見表3-2。穩定計算結果見圖3-1、3-2。

根據穩定計算結果看，原壩正常高水位上游壩坡計算的安全系數大于規范規定的安全系數最小值，故原壩正常高水位上游壩坡滿足壩坡穩定的要求；原壩正常高水位下游壩坡計算的安全系數小于規范規定的安全系數最小值，故原壩正常高水位下游壩坡不滿足壩坡穩定的要求。

3.3大壩加固方案

根據大壩防洪標準及壩頂高程復核結果，擬加高大壩1.0m，即從現狀高程992.34m加高到校核條件下計算壩頂高程993.34m。

3.3.1大壩壩頂及壩坡設計

根據壩址處兩岸的地形條件，結合大壩工程現狀，擬將壩軸線下移0.54m，壩頂高程達到993.34m。現狀下游壩坡不滿足穩定要求，設計對上下游坡培厚和整修。結合壩坡整修，本次除險加固設計考慮到節省投資、并參考相似水庫，設計壩頂寬度為6.0m，壩頂長度331m，上游壩坡坡比結合砌護坡取1∶2.5。下游培厚坡比為1:2.0。壩頂路面采用20cm厚砂礫石處理，上、下游側設置厚度為0.15m的砼路緣石。

3.3.2迎水坡改造處理

原大壩上游壩坡未砌護，受庫水風浪淘刷嚴重，隨著泥沙淤積和庫水位的抬高，壩坡淘刷破壞有進一步加劇的可能，對大壩安全運行不利；大壩上下游壩坡無排水設施沖溝現象嚴重；為了充分發揮水庫的綜合效益，保證水庫安全可靠的運行，本次設計對水庫上游進行護坡處理。上游壩坡采用10cm厚的預制C15砼六棱塊砌護，下部鋪設20cm厚的砂礫料墊層。底高程至設計正常蓄水位988.00m以下0.8m，在正常蓄水位988.00m處設2m寬的戧臺，戧臺以下進行水中填土，形成1∶8.0的坡比。3.3.3背水坡加固處理及增設排水系統

原大壩下游坡坡面破損不整、且無排水系統。本次設計對下游坡進行植物護坡，種植耐干旱、固沙效果好，適宜于陜北地區生長的檸條、沙棘、紅柳、沙打旺等低矮灌木叢。下游壩坡、兩側岸坡及公路邊設置縱橫向排水溝，采用M7.5漿砌石結構，下游坡角設反濾護坡。

4　大壩加固后穩定計算分析

4.1大壩的穩定性分析

水庫原大壩上游壩坡滿足壩坡穩定的要求，下游壩坡計算的安全系數小于規范規定的安全系數最小值，故下游壩坡不滿足壩坡穩定的要求，加固改造后上游壩坡坡比整修為1∶2.5，下游壩坡坡比為1∶2.0，同時對上下游進行了護坡處理，整修后需對上下游壩坡重新進行壩坡穩定復核。

依據《碾壓式土石壩設計規范》規定，采用簡化畢肖普法，根據滲流在背水坡坡腳出現的時間T和水庫本身洪水歷時，判斷庫水位在設計洪水位和校核洪水位時是否存在穩定滲流情況，計算公式如下：

表4-1　壩坡穩定計算巖土物理力學指標

表4-2　加固后壩坡穩定計算結果表

圖4-1　加固后正常蓄水位壩坡穩定計算簡圖

式中：k——土體滲透系數，采用大值平均值或試驗數據中的較大值（m/s）；

n0——土的有效空隙率；

n——空隙率；

Sw%——飽和度。

結合水庫實際運行情況穩定分析計算工況如下：加固后壩體設計正常蓄水位時上游壩坡穩定，加固后壩體設計正常蓄水位時下游壩坡穩定。依據地勘資料提供的壩體土物理力學性質及滲透性指標建議值選用，確定本次穩定分析的具體參數見表4-1。

大壩穩定分析計算按《碾壓式土石壩設計規范》（SL274－2001）要求，采用簡化畢肖普法，采用“北京理正設計公司邊坡穩定分析軟件”進行計算。土體的抗剪強度采用有效應力法指標。計算斷面與滲流計算斷面一致，采用大壩最大斷面。在各種計算工況下，大壩穩定計算最小安全系數結果見表4-2。

穩定計算結果見圖4-1。

根據穩定計算結果看，加固后大壩正常蓄水位上下游坡計算的安全系數均大于規范規定的安全系數最小值，故加固后大壩正常蓄水位上下游壩坡滿足壩坡穩定的要求。

4.2大壩安全監測設計

喇嘛畔水庫自建成至今已運行39年，始終沒有進行過任何系統的工程觀測，庫區沒有雨量站、水文站，水庫亦未設進出庫流量觀測設施。其現狀既無法滿足大壩自身安全監測的實際需要，也不符合《土石壩安全監測技術規范》（SL60-94）的要求。

為確保大壩安全運行，建立一套比較完善的大壩安全監測系統是十分必要的。根據喇嘛畔水庫除險加固工程的實際情況，結合大壩特點只進行水文、氣象觀測設計：水文、氣象觀測項目包括上游水位和降雨量觀測。設計在在上游庫區適當位置布置水位觀測點1個；在合適部位布置1個降雨量觀測點。水位采用水尺觀測，用雨量筒觀測降雨量。

5　結語

通過對喇嘛畔水庫大壩存在的影響水庫安全運行的隱患與缺陷進行除險加固，使其達到國家現行標準的相關規定，保證水庫按功能要求安全正常運行，發揮應有的效益。加固后可恢復灌溉面積為3000畝，灌溉效益為32.16萬元。陜西水利

（責任編輯：唐紅云）

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