小型水庫大壩穩定計算及除險加固方案比選

郭 招

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽 712000）

小型水庫大壩穩定計算及除險加固方案比選

郭 招

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西 咸陽 712000）

扶風縣五郡溝水庫由于施工質量差、年久失修等原因，長期處于帶病運行狀態，危及水庫運行、度汛以及寶雞峽總干渠輸水咽喉韋水倒虹工程等安全。原壩上游坡抗滑穩定安全系數在正常工況下為1.33，地震工況下1.14，均滿足規定要求：下游壩坡安全系數在正常工況為1.14，地震工況下1.02，均不滿足規范要求值，需加固；經比較，選擇壩體上游坡鋪復合土工膜防滲方案為壩體加固方案。將溢洪道堰頂高程由現狀抬高1.0 m，并進行砌護及消能，作為溢洪道加固實施方案。工程2010年完成至今運行良好。說明計算準確、方案設計科學合理，可供同類工程借鑒。

水庫；除險加固；大壩穩定性；方案優化

1 工程概況

五郡溝水庫位于新店鎮五郡溝上，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養殖的小（一）型水庫。水庫工程由均質土壩、溢洪道以及庫內12座抽水站等組成。水庫工程于1969年10月動工興建，1971年6月基本建成，設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為50年一遇。五郡溝水庫開始設計擬采用抽韋水補給水庫，但因韋水常流量小，抽水得不到保證。在馮家山水庫建成后，由馮家山水庫北干八支渠退水興利，1976年蓄水50萬m3，因溢洪道沒有襯砌，水庫安全受到威脅，1977年5～7月對溢洪道進口及部分陡坡段進行了砌護，由于左壩肩的繞壩滲流，同時在下游壩面增加貼坡排水。1984年4月由于灌區地下水補給及八支渠退水，庫水位達549.2 m（溢洪道堰頂高程為550.0 m），浸潤線在542 m高程溢出，壩肩繞壩滲漏嚴重，1985年再次加固將溢洪道降低2 m（進口降至548.0 m高程），在下游壩面增加框架式表面排水和下游排水棱體，并對壩體進行了水泥粘土灌漿。

2 存在問題

五郡溝水庫由于施工質量差等原因，長期處于帶病運行狀態，存在主要問題是：

（1）原設計防洪標準遠低于現行《防洪標準》要求。五郡溝水庫為小（一）型水庫，原設計洪水標準20年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核；按照現行《防洪標準》（GB50201-94）有關規定，其防洪標準應為30年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。

（2）工程設施年久失修存在多處滲漏。五郡溝水庫運行三十余年，左壩肩中下部有清水滲漏，滲漏量為5.0 L/s。右壩肩與岸坡結合處也有明顯滲水。壩體下游坡左半部明顯下沉呈凹陷狀態，溢洪道未襯砌，無放水設施，壩體內浸潤線較高，下游壩坡不穩定。

（3）安全防汛基礎條件差危險大。由于五郡溝水庫沒有放水設施，水庫常年蓄滿，最高庫水位548.0 m，一旦失事，將直接威脅扶風縣城、西寶公路北線和寶雞峽總干韋水倒虹工程安全。

3 壩體滲流計算

（1）計算工況

依據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96）要求，計算正常蓄水位549.0 m和下游相應最低水位535.0 m情況下的壩體穩定滲流，由于在設計洪水位和校核洪水位情況下，水位歷時較短，難以形成穩定滲流，故不進行設計洪水位和校核洪水位情況下的滲流計算。

（2）計算斷面及參數指標

計算斷面選取實測河床最大斷面，壩體填筑料滲透系數采用《扶風縣五郡溝水庫除險加固工程地質勘察報告》的推薦值，壩基土分別采用大于、等于、小于壩體填筑料滲透系數計算，當壩基為相對不透水時，計算浸潤線與實測浸潤線一致，滲透指標采用值見表1。

表1 滲透指標采用值

（3）計算結果及分析

本次滲流計算采用DQB程序計算。計算工況為：上游庫水位為正常水位548.0 m，下游水位535.0 m時的浸潤線和等勢線，壩體滲透坡降計算結果見表2。

表2 大壩填土滲透坡降成果

從上表可看出壩填土的滲透坡降滿足規范要求。計算出河床剖面壩體和壩基的單寬滲流量：q=0.038 m3/d.m，計算出壩體及壩基的總滲流量：Q=2.926 m3/d。

4 壩體穩定計算及加固設計

4.1 壩體穩定計算

穩定計算一般分穩定滲流期和庫水位降落期分別計算。

穩定計算采用土石壩邊坡穩定分析程序《STAB》計算。計算斷面取河床最大斷面。為了解決下游壩坡不穩定問題和左右壩肩的滲漏問題，設計考慮了3種方案，方案（1）：壩體上游坡鋪復合土工膜方案；方案（2）：下游壩坡540 m高程以下壓腳培厚方案；方案（3）：澆筑塑性砼心墻防滲方案。

從表3結論看：①原壩上游坡抗滑穩定安全系數在正常工況下為1.33，地震工況下1.14，均滿足規定要求：下游壩坡安全系數在正常工況為1.14，地震工況下1.02，均不滿足規范要求值，需加固；②三種加固設計方案穩定計算結果均滿足規范要求。

表3 壩體穩定計算成果表（計及條塊間作用力）

4.2 壩體加固設計

三種加固方案比較見表4。

表4 三種方案比較表

從防滲效果、施工難易程度、投資經濟性3方面比較、綜合考慮后，選擇方案（1）為推薦方案。

4.3 壩體加固方案

（1）上游壩坡

上游壩坡抗滑穩定滿足要求，壩坡死水位以上分二級坡比，542 m高程以上為1∶3.0，以下為1∶3.5。原上游壩坡無砌護，本次設計對542 m高程以上采用0.3 m干砌石護坡、干砌石下分別鋪0.2 m厚碎石墊層、0.1 m厚粗砂墊層。防滲復合土工膜鋪在粗砂墊層下，復合土工膜鋪設范圍為：上至壩頂，下到淤積高程535.0 m以下壩體左右側與岸坡結合處，要求沿迎水坡面、進入左右壩肩岸坡長度不小于10m，鋪膜前先對壩肩按1∶1.5坡度削坡處理，再鋪土工膜，土工膜壓頂采用人工開槽壓頂處理。

（2）下游壩坡

現狀下游壩坡坡比共分3級，從上至下分別為1∶2.0、1∶2.5、1∶1.5。由于上游坡鋪膜防滲后壩體已經滿足穩定滲流安全。因此壩下游坡不需配厚加固，設計僅新修壩面排水設施，在下游坡壩體與左右肩結合處布設排水溝，凈尺寸：寬0.4 m，深0.3 m，排水溝采用M7.5漿砌石砌筑，從545 m高程排水溝下設混合反濾料，保證壩肩繞滲排水通暢。壩面排水溝，布設在542 m高程、與左右壩肩的排水溝相通，溝道斷面尺寸采用砌筑材料與上同，壩面在清除雜質整平后采用草皮護坡處理。對原排水棱體進行翻修加固，將干砌石棱體恢復到斷面尺寸，并布設混合反濾料，厚度為40 mm。對壩后現狀排水溝道采用M7.5漿砌石進行砌護，確保壩面排水順暢。

5 溢洪道加固設計

5.1 方案比選

本次溢洪道設計采用兩種方案，方案（1）維持原現狀溢洪道堰頂高程、堰長及溢洪道軸線基本不變，主要對進口段、平流段、陡坡段進行砌護及消能工設計；方案（2）根據調洪及壩高復核計算，將溢洪道堰頂高程由現狀抬高1.0 m，堰長不變，并對溢洪道進行優化設計，長度縮短了96.73 m，并進行砌護及消能設計。經技術經濟比較，選擇方案（2）為實施方案。

5.2 溢洪道水力計算

5.2.1 溢流堰水位-流量關系

根據溢洪道實測橫斷面尺寸，擬定堰頂549.0 m，斷面采用曲線實用堰，流量系數0.40。堰頂水位-流量關系見表5。

表5 堰頂水位-流量關系表

5.2.2 水面線計算

根據調洪演算結果，溢洪道設計下泄量為60.6 m3/s，相應洪水位為551.41 m，校核下泄量為101.2 m3/s，相應洪水位為552.40 m。

5.3 溢洪道加固方案

根據溢洪道地質條件及水力計算結果，溢洪道加固設計方案為：

進口段采用30 cm厚漿砌石襯砌，溢流堰段邊墻較高，采用M7.5漿砌石檔土墻砌筑，經計算，滿足穩定要求;

平流段采用30 cm厚C20砼襯砌，砼表面布置φ10@200雙向溫度鋼筋，陡坡段采用50 cm厚C20砼襯砌，砼表面布置φ10@200雙向溫度鋼筋，消力池段采用80 cm厚C20砼襯砌，砼表面布置φ10@200雙向溫度鋼筋。

平流段、陡坡段及消力池段下部均設30 cm厚2∶8灰土墊層，墊層下設一道φ150 mm縱向網格排水管，橫向每隔10 m設一網格排水管。

6 結語

扶風縣五郡溝水庫除險加固，結合實際對水庫大壩滲流量等進行了科學計算，針對存在問題有的放矢，精心比選優化工程設計方案，努力打造水庫除險加固的優質樣板。工程2010年完工后至今運行狀況良好，說明計算方法準確，方案設計科學合理。

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1673-9000（2017）05-0123-02

2017-04-19

郭招（1979-），男，陜西乾縣人，工程師，主要從事水利工程管理工作。