某水庫大壩安全評價(jià)及整治措施研究

楊曉麗

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

土石壩在我國中小型水庫大壩早期建設(shè)中占有相當(dāng)大的比重。其中一些大壩在運(yùn)行多年后，在原設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不高、工程質(zhì)量不高等一個(gè)或多個(gè)因素的共同作用下，出現(xiàn)了壩體滲漏、壩坡失穩(wěn)、排水措施失效、防洪標(biāo)準(zhǔn)失效等問題，以及后期運(yùn)營管理不到位、維修不及時(shí)、地震災(zāi)害、白蟻災(zāi)害等。病險(xiǎn)水庫長期處于失修狀態(tài)，不僅經(jīng)濟(jì)效益低，而且安全隱患大，嚴(yán)重制約水庫綜合效益的發(fā)揮。因此，對病險(xiǎn)水庫進(jìn)行整改，恢復(fù)老水庫的綜合性能勢在必行。本文以均質(zhì)土壩為例，通過計(jì)算分析，揭示均質(zhì)土壩存在的多種病害，提出相應(yīng)的整治措施，可為同類水庫大壩整改方案提供思路和技術(shù)參考[1-2]。

1 工程概況

半截溝水庫作為烏魯木齊市東大渠防洪工程中的一個(gè)單項(xiàng)工程，是一座以攔蓄半截溝洪水進(jìn)而起到消峰調(diào)蓄作用的Ⅲ等中型工程。沒有直接通往壩頂?shù)姆篮閾岆U(xiǎn)道路，交通不便。水庫總庫容44.08×104m3，死庫容4.0×104m3，是以灌溉為主，綜合利用防洪的水利工程。水庫大壩為均質(zhì)土壩。底高463.06 m，頂高474.27 m，頂寬2.7 m，底長87.60 m，底寬最大44.30 m，上坡率從上到下分別為1∶1.6和1∶1.94，下游坡度比為1∶1.8。大壩上游邊坡以及大壩頂部采用厚100 mm C15混凝土和厚50 mm碎石層保護(hù)，大壩下游邊坡無保護(hù)措施。

水庫于2009年進(jìn)行了加固，但整改尚未完成。水庫工程仍存在嚴(yán)重病害，危及大壩安全。經(jīng)水行政主管部門批準(zhǔn)，確定水庫大壩安全類別為三類大壩。為了保證建筑物自身的安全，必須及時(shí)對其進(jìn)行整改，因此對水庫進(jìn)行加固是非常必要的，應(yīng)該盡快實(shí)施。

2 水庫安全評價(jià)及成果分析水庫防洪能力分析

2.1 壩頂高程校核

根據(jù)該水庫的年平均最大風(fēng)速V=10 m/s、壩吹距離D=120 m、壩坡上坡率m=1.6和1.94、平均水深H等數(shù)據(jù)，按規(guī)范計(jì)算壩頂超高程。在異常運(yùn)行情況下，計(jì)算基于年平均最大風(fēng)速，在正常運(yùn)行情況下，計(jì)算是基于年平均最大風(fēng)速的1.5倍。水庫大壩計(jì)算壩頂高程474.37 m，現(xiàn)狀壩頂高程474.27m，現(xiàn)狀壩頂高程不滿足20年一遇洪水設(shè)計(jì)，不能滿足國家防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 壩頂高程驗(yàn)算抗洪能力分析

根據(jù)水庫洪水調(diào)度、大壩安全超高及泄洪建筑物泄洪安全復(fù)核及工程質(zhì)量評價(jià)結(jié)果，水庫大壩目前的抗洪能力在正常運(yùn)行情況下，達(dá)不到20年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前水庫大壩的抗洪能力不符合規(guī)范要求。

2.3 泄洪建筑物安全分析

目前，水庫溢洪道結(jié)構(gòu)狀況良好，運(yùn)行正常，并對溢洪道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了泄洪道泄流能力計(jì)算、泄槽水力計(jì)算和消力池消能計(jì)算。根據(jù)溢洪道泄槽水力計(jì)算結(jié)果，溢洪道第一段泄槽邊墻超高不符合規(guī)范要求。根據(jù)消力池水力計(jì)算結(jié)果，溢洪道消力池長度不符合規(guī)范要求。因此，不能保證水庫設(shè)計(jì)洪水的安全泄流。

3 大壩滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)類似工程的相似性，提出壩體滲流所需的物理力學(xué)指標(biāo)和壩體穩(wěn)定性，同時(shí)提出了壩基填筑的地質(zhì)參數(shù)和壩體(體)的地質(zhì)參數(shù)。根據(jù)達(dá)西定律，進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析。滲流計(jì)算考慮了土層的平面穩(wěn)定滲流和各向同性，將與實(shí)際滲流運(yùn)動(dòng)相同的問題簡化為二維問題，滲流分析采用AUTOBANK分析軟件，在多種計(jì)算條件下采用有限元法進(jìn)行滲流計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，大壩平均水力坡降小于臨界坡降，不會(huì)因流土和管涌破壞大壩[3]。

大壩左壩肩468.5 m處有滲漏點(diǎn)。三角堰測得流量為3 L/min。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際檢查，當(dāng)時(shí)水庫水位為469.85 m。分析認(rèn)為，滲流源于庫區(qū)，滲流源于泥巖裂隙。據(jù)分析，滲漏源于庫區(qū)，大壩左壩肩附近有滲漏。

4 壩體抗滑穩(wěn)定分析

采用有效應(yīng)力法中的瑞典圓弧法計(jì)算壩坡穩(wěn)定。根據(jù)規(guī)范要求，本工程應(yīng)進(jìn)行多工況邊坡穩(wěn)定性分析。計(jì)算程序采用汽車銀行進(jìn)行有限元分析。

選取壩體最大橫截面作為計(jì)算截面。計(jì)算條件：正常運(yùn)行條件為正常水位、設(shè)計(jì)洪水位、死水位、上游1/3邊坡水位。各種工況下，上下游邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 上下壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

可見，無論正常和非正常工況下，上游邊坡的抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，下游邊坡在死水位和突然降至死水位時(shí)滿足規(guī)范要求。但下游邊坡在設(shè)計(jì)洪水位以下的抗滑穩(wěn)定、校核洪水位和正常水位均不符合規(guī)范要求。

5 水庫大壩工程防洪建筑物整改措施

為滿足防洪要求，壩頂上游側(cè)設(shè)置L型C20鋼筋混凝土防浪墻，墻高1.60 m，底寬1.0 m，頂寬0.3 m。墻頂標(biāo)高475.47 m。該設(shè)計(jì)拆除了現(xiàn)有的溢洪道消力鏟斗，采用M7.5砌筑石材。消力池長度由2.0 m增加至3.1 m，底板采用泥炭基，采用C20混凝土。側(cè)墻采用M7.5漿砌石，高1.2 m。末端設(shè)消力斗，消力斗高0.5 m。見圖1。

5.1 大壩左壩肩防滲設(shè)計(jì)

在壩肩設(shè)計(jì)中，帷幕灌漿通常用于防滲。本次設(shè)計(jì)對出口附近0-12.00～0+018.00壩段進(jìn)行帷幕灌漿處理。采用單排孔距2.0 m。這些孔分為3個(gè)連續(xù)的孔，按順序鑿毛，自下而上灌漿。共布置21個(gè)孔。鉆孔進(jìn)尺267 m，帷幕灌漿210 m，灌漿下限控制在正常水位以下10 m。

圖1 大壩整治斷面圖

5.2 下游邊坡整治設(shè)計(jì)

下游壩坡在設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位、突降等條件下穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求。因此，下游邊坡采用厚層整形和護(hù)坡處理。下游邊坡465.29 m處設(shè)寬2.0 m馬道，馬道內(nèi)側(cè)或兩側(cè)設(shè)縱橫向排水溝。馬道上側(cè)至壩頂坡比為1∶2.0，采用C15混凝土格構(gòu)及草坡防護(hù)。馬道下側(cè)至壩腳的坡比為1∶1.0，馬道下為邊坡排水體[4]。

5.3 整改前后大壩穩(wěn)定計(jì)算對比分析

正常運(yùn)行條件下，整改后計(jì)算條件為：正常蓄水位473.03 m穩(wěn)定滲流期下游邊坡穩(wěn)定；設(shè)計(jì)洪水位473.42 m下游邊坡穩(wěn)定；死水位466.38 m下游邊坡穩(wěn)定庫區(qū)烈度小于VI，在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中不能考慮地震的影響。本文采用有限元強(qiáng)度折減法對邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行求解[5-6]。

5.3.1 參數(shù)選擇

模擬要輸入的主要參數(shù)分別是: 彈性模量E′、泊松比μ、土體容重γ、內(nèi)摩擦角φ′、剪脹角ψ、黏聚力c′、滲透系數(shù)k、壩體特征點(diǎn)破壞時(shí)的水平突變位移|u|以及不排水抗剪強(qiáng)度Su。在進(jìn)行材料的選擇時(shí)， PLAXIS 程序?qū)γ糠N材料的進(jìn)行3種不同條件的模擬，包括排水條件、不排水條件以及無孔隙條件，具體參數(shù)輸入值見表2。

5.3.2 有限元模型的建立

利用PLAXIS程序進(jìn)行滲流作用下的滑坡穩(wěn)定性分析，需要分別建立有限元模型和滲流計(jì)算模型。由于PLAXIS程序中滲流計(jì)算也是基于有限元原理進(jìn)行計(jì)算的，因此兩個(gè)模型有限元網(wǎng)格的劃分是一樣的。利用 PLAXIS程序進(jìn)行二維分析(平面應(yīng)變或者軸對稱情況) ，用戶可以選擇節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)三角型單元，本文選擇的是節(jié)點(diǎn)三角型單元。PLAXIS程序在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，提供了自動(dòng)劃分并可以局部加密( 可以在幾何點(diǎn)附近加密也可以在局部幾何區(qū)域上加密) 的功能。圖2為土壩三維模型，圖3為土壩的網(wǎng)格劃分。

表2 參數(shù)輸入值

圖2 壩體三維模型

圖3 壩體網(wǎng)格劃分

5.3.3 整改前后計(jì)算結(jié)果分析

各種工況下，下游壩坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較統(tǒng)計(jì)見表3。

整改前后下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)表及壩坡穩(wěn)定計(jì)算示意圖表明，整改后下游壩坡抗滑安全系數(shù)較整改前有較大提高，穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范安全值，下游壩坡趨于穩(wěn)定，整治措施有效。

表3 下游壩坡整治前后穩(wěn)定安全系數(shù)對比表

6 結(jié) 論

1) 一般來說，對于中小型水庫，土石壩病害的典型整治工程包括防洪建筑物的整治、左壩肩防滲、邊坡加固防護(hù)、排水棱體整形等。

2) 通過對水庫整改前后不同條件下的有限元軟件計(jì)算分析，得出工程整改措施經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的結(jié)論。整改措施實(shí)施后，可消除病害問題，恢復(fù)水庫功能，提高工程整體形象，整改效果明顯。