龍潭河水庫大壩安全評價與分析

何群，方翔，劉得潭

（1.信陽市淮河管理處，河南 信陽 464400；2.河海大學，水利水電學院，江蘇 南京 210098)

截止目前我國擁有8.7萬余座大中小型水庫[1]，這些水庫的存在不僅在農業灌溉、水力發電、城鎮供水、城市防洪及水產養殖等方面起到重要作用，同時是保障區域經濟發展的重要基礎。然而，根據全國大壩安全普查，病險水庫約占我國水庫總數的40%左右，其中很大一部分病險水庫修建于60～70年代，由于受筑壩技術、設計水平及水文資料匱乏等因素影響，這些病險水庫目前存在筑壩材料強度衰減、防洪標準較低、大壩壩體和壩基滲漏嚴重及管理維護混亂等問題[2-3]。這些病險水庫不僅影響水庫大壩的正常運行，而且嚴重威脅下游居民的生命財產安全。例如，1999年湖北省某小型水庫庫容僅為十幾萬m2，潰壩后造成34人死亡，經濟損失達數億元事故[4]；青海省溝后水庫庫容僅為300萬m2，因大壩潰壩造成300多人死亡，數億元經濟損失[5]。因此，亟需針對我國病險水庫大壩開展安全評價和除險加固工作，提高病險水庫安全運行能力。在上述背景下本文以桐柏縣龍潭河水庫為研究對象，從水庫大壩工程質量、運行管理、防洪能力、結構與滲流安全、金屬結構安全及輸泄水建筑物安全等方面，對水庫大壩安全性進行全面分析與評價，為大壩除險加固提供指導。

1 工程概況

桐柏縣龍潭河水庫位于河南桐柏縣西南，淮河支流龍潭河中游段，距縣城3km，淮河風景名勝區的南側。水庫總庫容1044萬m3，控制流域面積25.04km2。該水庫是防洪為主，兼顧城鎮供水、農業灌溉、水產養殖等綜合利用的中型水庫，工程等別為Ⅲ等。主要建筑物包括非溢流壩、溢流壩、輸水建筑物等。水庫正常蓄水位220.5m，相應庫容860萬 m3；設計洪水位 221.71m，相應庫容964萬 m3；校核洪水位 222.88m，相應庫容1044萬m3。水庫設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。大壩為漿砌石重力壩，壩體上游面設鋼筋混凝土面板，面板厚度頂部0.6m，底部1.45m。攔河壩長180m，壩頂高程222.9m，最大壩高 46m，壩頂寬度7.25m，防浪墻頂高程 224.12m，上游邊坡194.0m高程以下為1:0.15，以上為垂直面，下游邊坡為1:0.7，起坡點高程為 219.0m。非溢流段壩長 146.5m，溢流壩段長33.5m。溢流壩段壩頂高程218.0米，壩頂設橡膠，壩袋凈高2.5m，橡膠壩設計壩頂高程220.50m，橡膠壩順水流方向長度7.67m，末端用R1.0m的圓弧與下游面平順銜接。導水墻為鋼筋混凝土直墻，順流向長度為7.65m，底部寬度均為 0.80m，墻頂高程為 222.50m，與非溢流壩頂齊平，下側設垂直止水與下游導水墻相連接，為避免橡膠壩袋兩端與導水墻結合部位出現塌肩現象，引起局部溢流，影響橡膠壩的正常運行，在導水墻端部采用1:10邊坡抬高0.30m消除塌肩現象。為滿足泄洪、放空水庫等要求，壩內設泄水孔。泄水孔布置在右壩段，進口高程190.0m，進口喇叭型，出口高程 188.0m，泄水孔全長 29.55m，斜坡段（兩閘閥間）坡度10%，采用鋼管泄流。

2 工程地質與工程質量評價

2.1 工程地質評價

壩址位于桐柏山脈東北部，該處山勢呈北東向，右岸山勢陡峻，左岸山坡較緩。龍潭河河床寬30～80m，蛇曲發育。區域內植被發育，草木茂盛，水土保持好，沖溝發育。該區出露巖性主要為下元古界桐柏群以泥沙質為主，后期變質的混合片麻巖。自大別山運動以來，該區處于隆起剝蝕狀態，第四系僅在河溝山坡坡腳形成零星分布的堆積物。壩址區共發現斷層11條，其中Fb斷層為在龍潭河水庫大壩施工中，在右壩肩0+126～0+132新發現的一條斷層，規模較小。其它斷層除f1斷層外，規模較小，對壩址穩定和透水影響不大，f1斷層規模較大，其位于左壩肩，在壩肩區出露長度 196m，斷裂帶寬度 4.3～8.5m，走向NE40°，傾向 310°，傾角 48°，走向與壩軸線的交角68°。斷裂帶內見有灰黃色、灰綠色斷層角礫巖，角礫粒徑5～7mm，并發育有斷層泥，斷裂帶內巖石局部已綠泥石化，膠結程度較差，易風化，手捏即粉，巖芯采取率20%，斷裂帶內有泉水出露，存在壩肩滲漏問題，滲漏流量為0.25L/s。

庫區兩岸巖體由混合片麻巖組成，構造裂隙不甚發育，且第四紀沉積物多分布于205m高程以下，未來水庫蓄水后風浪作用對庫岸影響較小，不存在塌岸問題，庫岸穩定性較好。

2.2 大壩工程質量評價

2.2.1 非溢流壩段質量評價

非溢流段壩長146.5m，其主體結構材料均為Mu60M 7.5(5)漿砌石，壩體以193m高程為砂漿分界線，以上漿砌石標號為 Mu60M 5，以下為 Mu60M 7.5。為防止壩體滲水，該壩段上游設C20鋼筋混凝土防滲面板，防滲面板平均厚度為1m，頂厚 0.6m，194.0m厚度為 1.04m以1：0.122坡度逐漸變厚，底部高程179m處，厚度為 1.45m，面板配置10@200mm的溫度鋼筋。上游防滲面板施工質量差，普遍存在蜂窩、麻面、露筋等現象，大壩擋水壩段防滲面板保護層厚度不均勻，局部保護層過薄，導致鋼筋銹蝕，鋼筋截面損失率達 20.1%～29.4%。

非溢流壩段工程質量評為不合格。

2.2.2 溢流壩段質量評價

溢流段壩長33.5m，其主體結構材料均為 M u60M 7.5(5)漿砌石，溢流壩面為C20鋼筋混凝土結構，平均厚度為1.0m，堰頂為寬頂堰形式，頂部布置橡膠壩。直線段邊坡為1:0.70，挑流消能，鼻坎高程高出下游校核洪水位1.72m，其高程為185.5m。溢流壩段局部面板突起，存在較多裂縫，現有混凝土強度達不到設計強度等級，其最大碳化深度已達到21.2mm，對大壩的正常運行造成隱患。

溢流壩段工程質量評為不合格。

2.2.3 廊道質量評價

龍潭河水庫大壩壩內底部設一道縱向灌漿排水廊道，縱向灌漿排水廊道平行于防滲面板前沿布置，供帷幕灌漿和基礎排水用，城門洞形斷面，寬2.5m，高3.5m，上部半圓形拱頂為C20鋼筋混凝土結構，兩側邊墻為C15混凝土結構。上游壁距壩面4.0m，最低處廊道底部高程為186m，高出校核水位對應的下游水位，前墻距壩體迎水面距離為4m。在樁號 0+019、0+047、0+069、0+119.5、0+142、0+159.5處設6條橫向交通觀測廊道，縱橫向廊道相互連通。灌漿排水廊道拱頂及側邊墻均有較多的裂縫，裂縫存在滲水或有白色物質析出等現象。灌漿排水廊道現有混凝土強度推定值不能夠達到設計強度等級。

廊道工程質量評為不合格。

2.2.4 交通橋質量評價

交通橋橋面板局部破損，砂漿涂層失效、龜裂、剝落（；交通橋左側C20混凝土導水墻（樁號0+081）外觀正常；交通橋右側C20混凝土導水墻（樁號0+114.5）有兩條裂縫，裂縫周圍有析出物。從外觀上看，裂縫應是施工縫處理不好形成的；交通橋右側C20混凝土導水墻與橋臺銜接部位存在施工缺陷，混凝土不密實，并有破損；C30鋼筋混凝土拱圈外觀基本正常，精軋螺紋鋼涂層完好，無失效、龜裂、剝落現象，承載能力較好。

3 大壩滲流安全評價

3.1 大壩存在的滲流安全問題

①非溢流壩段滲流問題。非溢流壩段防滲面板普遍存在蜂窩、麻面、露筋、混凝土剝落現象、砌石壩體密實性差、貫穿性裂縫，防滲效果顯著降低。

②溢流壩段滲流問題。溢流壩段防滲面板防滲面板存在露石、孔洞、混凝土剝落等缺陷，局部有露筋、鋼筋銹蝕現象。溢流壩段局部面板在高程217.0附近出現突起現象。溢流面局部存在一些施工橫縫。下游挑流鼻坎為C20鋼筋硂結構，外觀基本完好，護面局部滲水，并有析出物，出滲點高程為183m；挑流鼻坎兩側的導水墻為C20混凝土結構，外觀基本完好，強度較設計值偏低，局部有破損。

③廊道滲流問題。灌漿排水廊道拱頂及側邊墻均有較多的裂縫，裂縫存在滲水或有白色物質析出等現象。水平灌漿排水廊道壩基排水孔冒水翻砂土。

3.2 大壩滲流安全評價

根據龍潭河水庫工程現狀，建立龍潭河漿砌石重力壩三維滲流有限元模型。根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-201X），選取設計工況和校核工況下的水位進行滲流分析。

龍潭河水庫在設計水位和校核水位作用下溢流壩段和非溢流壩段典型剖面滲流場位勢分布圖見下圖所示。

壩體漿砌石填筑不密實，壩體及排水廊道出現裂縫，在設計工況和校核工況時，壩基揚壓力較大，非溢流壩段設計工況和校核工況下廊道位置壩體浸潤線高程分別為 188.41m和 188.59m，均高于壩體廊道底高程186.00m，壩基排水孔處揚壓力折減系數為0.42，大于設計折減系數0.30；溢流壩段設計工況和校核工況下廊道位置壩體浸潤線高程分別為190.46m和 190.69m，均高于壩體廊道頂高程190.00m，壩基排水孔處揚壓力折減系數為0.38，大于設計折減系數0.30。致使廊道邊壁裂縫滲水。壩踵建基面處的滲透坡降較大，非溢流壩段最大滲透坡降為12.25，溢流壩段最大滲透坡降為14.0，極有可能導致新老層面接觸面發生滲透破壞，引起壩基滲流量增大，這與排水廊道排水孔冒析出物的現象也是吻合的。

溢流壩段和非溢流壩段典型剖面設計、校核工況下壩體和壩基位勢分布圖

綜上所述，根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-201X），龍潭河大壩滲流安全等級評價為“C”級。

4 大壩運行管理評價

桐柏縣龍潭河水庫工程建設管理處自水庫投入運行以后，貫徹執行國家的法律、法規和規范，同時結合龍潭河水庫的具體情況，制定了一套切實可行的規章制度，并能較好地實施，基本能夠滿足水庫運行管理需要。但水庫大壩上游防滲面板存在較多的蜂窩麻面、孔洞、微裂縫、混凝土剝落等現象，溢流壩段局部面板突起，壩下游面繞壩滲漏明顯，且隨著庫水位升高滲漏量有所增大；大壩廊道及防浪墻等裂縫嚴重，防浪墻臺帽混凝土有破損、剝落現象；泄水管和輸水管受到各種水質、氣體、日光和水生物的侵蝕，以及水流、泥沙、漂浮物的沖擊摩擦，加上結構材質本身具有電化學性能的不均勻性，鋼管表面普遍發生不同程度的腐蝕，鋼材結構的承載能力降低；水庫未能夠按照《水庫工程管理通則》（SLJ T02-81）執行，對工程設施進行維修養護，工程處于病險狀態狀態運行。

綜上所述，根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-201X），綜合評價龍潭河水庫大壩運行管理為“差”。

5 大壩結構安全評價

根據龍潭河水庫工程現狀和規范要求[6-9]，采用材料力學法和有限元法復核壩體和壩基強度以及采用剛體極限平衡法復核壩體和壩基穩定，對大壩結構安全進行評價。

5.1 材料力學法強度復核

采用材料力學法復核設計和校核兩種工況下壩體和壩基的應力強度，計算結果見表1所示。

計算結果表明，設計和校核工況下，壩趾處壓應力均不大，抗壓強度安全系數滿足規范要求；在設計和校核工況下，壩踵處均未出現拉應力，抗壓強度安全系數滿足規范要求。

5.2 有限元法強度復核

為了進一步復核壩體和壩基的應力強度，采用有限元法對設計和校核兩種工況下溢流壩段和非溢流壩段壩體和壩基應力進行分析。利用ABAQUS建立三維有限元模型，用于模擬壩體漿砌石和壩基巖體，單元的剖分應盡量達到設計所要求的精度，單元形式結合漿砌石重力壩體型合理選用。不同壩段壩體應力特征值計算計算結果見表2和表3所示。

溢流壩段和非溢流壩段壩體應力計算成果 表1

溢流壩段最大剖面壩體控制部位應力特征值（kPa） 表2

非溢流壩段最大剖面壩體控制部位應力特征值（kPa） 表3

不同壩段壩基抗滑穩定安全系數 表4

計算結果表明，非溢流壩段設計和校核工況下應力分布均符合一般規律，即壩體最大壓應力發生在壩趾，最大拉應力發生在壩踵。非溢流壩段最小主應力均為壓應力，但是，最大主應力在非溢流壩段設計和校核工況下均出現了拉應力，出現在上游壩踵處，但是范圍極小，拉應力區寬度小于壩底寬度的7%，兩種工況下最大拉應力分別為0.34MPa和0.40MPa，小于壩體允許抗拉強度；溢流壩段在設計和校核工況下應力分布均符合一般規律，即壩體最大壓應力發生在壩趾，最大拉應力發生在壩踵。溢流壩段最小主應力均為壓應力，但是，最大主應力在溢流壩段設計和校核工況下均出現了拉應力，出現在上游壩踵處，但是范圍極小，拉應力區寬度小于壩底寬度的7%，兩種工況下最大拉應力分別為0.422MPa和 0.495MPa，小于壩體允許抗拉強度。

5.3 穩定復核

根據《漿砌石壩設計規范》（SL 25-2006），采用剛體極限平衡法對非溢流壩段和溢流壩段進行抗滑穩定分析。溢流壩段和非溢流壩段墊層混凝土與接觸面滑動抗剪摩擦系數取0.60，漿砌石體之間滑動抗剪摩擦系數取0.55，漿砌石體與墊層接觸面之間0.55，計算結果見表4所示。

計算結果表明，非溢流壩段和溢流壩段在設計和校核工況下抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

5.4 大壩結構安全評價

壩基和壩體采用材料力學法和有限元法應力強度計算結果以及非溢流壩段和溢流壩段抗滑穩定安全系數雖符合規范要求，但現場檢查檢測發現上游防滲面板普遍蜂窩、麻面、露筋，溢流壩段局部面板突起，右岸非溢流壩段面板存在貫穿裂縫；溢流壩下游溢流面存在裂縫；防浪墻、廊道裂縫嚴重，影響結構安全；溢流壩頂部雜草叢生，影響泄洪能力。綜合上述，龍潭河大壩結構安全等級根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2000）評為“C”級。

6 金屬結構安全評價

泄水管和輸水管，由于長期處于水中或是在干濕交替的環境中運行，受到各種水質、氣體、日光和水生物的侵蝕，以及水流、泥沙、漂浮物的沖擊摩擦，加上結構材質本身具有電化學性能的不均勻性，鋼管表面普遍發生不同程度的腐蝕。蝶閥由于長期處于潮濕環境，外殼存在明顯涂層失效、剝落顯著，龜裂現象。閥門井上部鋼井網井蓋與井口明顯錯位。金屬結構存在明顯安全問題，安全等級根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2000）評為“C”級。

7 結論

在桐柏縣龍潭河水庫基礎資料和計算結果分析的基礎上，同時根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2000）和《水庫大壩安全鑒定辦法》，對龍潭河水庫工程地質與工程質量、大壩滲流安全、大壩運行管理、大壩結構安全、金屬結構安全進行綜合評價，龍潭河水庫大壩存在嚴重病險，屬于“三類壩”。

龍潭河水庫大壩已運行10余年，目前工程處于病險狀態，建議增加大壩安全監測設施、水文測報、防汛搶險交通工具，加強水庫安全管理能力；增加大壩Fb斷層帷幕灌漿深度，阻止繞左岸滲漏；加固整修大壩防滲面板蜂窩、麻面、露筋現象，增加防滲面板防滲能力；對廊道襯砌重新進行加固，增加其防滲能力；泄水管和輸水管鋼管表面建議重新涂抹非金屬涂層保護鋼管正常運行；建議更換蝶閥和閥門井上部鋼井網井蓋。