某大型均質(zhì)土壩安全綜合評(píng)價(jià)

李 媛，段科萍，周晨露

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.溧陽(yáng)市水利局，江蘇 溧陽(yáng) 213399；3.南水北調(diào)東線江蘇水源公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

水庫(kù)大壩是調(diào)控水資源時(shí)空分布、優(yōu)化水資源配置的重要工程措施，是江河防洪體系不可替代的重要組成部分。目前我國(guó)壩型以土壩為主，占比達(dá)81.77%，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用[1]。全面合理評(píng)估大型均質(zhì)土壩安全狀態(tài)，可為水庫(kù)的科學(xué)調(diào)度、安全運(yùn)行提供良好的技術(shù)支持，對(duì)保障社會(huì)公共安全具有十分重要的意義。

1 工程概況

某水庫(kù)工程規(guī)模為Ⅱ等大（二）型，水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高20.3 m，壩頂高程25.60 m，水庫(kù)正常蓄水位21.00 m，死水位15.50 m，汛限水位21.00 m，設(shè)計(jì)洪水位23.00 m，校核洪水位24.42 m。水庫(kù)主要由主壩、副壩、溢洪閘、泄洪隧洞等建筑物組成。

2 大壩安全評(píng)價(jià)

安全評(píng)價(jià)按照現(xiàn)行法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)定要求[2]，依據(jù)工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、前期安全鑒定、除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、蓄水安全鑒定、運(yùn)行管理、安全監(jiān)測(cè)等資料，在現(xiàn)場(chǎng)安全檢查、混凝土結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)、觀測(cè)資料分析等工作基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)工程安全現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.1 工程質(zhì)量評(píng)價(jià)

工程質(zhì)量評(píng)價(jià)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安全檢查情況，對(duì)影響水庫(kù)大壩安全的主要問題進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)，查清出現(xiàn)問題的部位和原因，對(duì)大壩壩體現(xiàn)狀填土、混凝土、漿砌石質(zhì)量、壩基及壩坡施工處理情況等進(jìn)行有代表性的工程地質(zhì)勘探和質(zhì)量檢測(cè)工作，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取足夠的試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，獲取復(fù)核計(jì)算所需要的物理力學(xué)參數(shù)。該水庫(kù)施工質(zhì)量總體滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，竣工驗(yàn)收至今水庫(kù)運(yùn)用正常，工程質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)為“合格”。

2.2 防洪安全評(píng)價(jià)

防洪安全評(píng)價(jià)根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)階段采用的水文資料和運(yùn)行期延長(zhǎng)的水文資料、考慮建壩后上下游地區(qū)人類活動(dòng)影響及水庫(kù)工程現(xiàn)狀，進(jìn)行洪水標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、設(shè)計(jì)洪水復(fù)核、調(diào)洪計(jì)算和壩頂高程計(jì)算，評(píng)價(jià)大壩現(xiàn)狀抗洪能力是否滿足現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[3]，該水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100 年一遇洪水設(shè)計(jì)（P=1%）、2000 年一遇洪水校核（P=0.05%）。

水庫(kù)上游集水面積、下墊面條件與初設(shè)相比沒有發(fā)生變化。水庫(kù)缺乏實(shí)測(cè)入庫(kù)洪水流量資料，無完整的逐時(shí)觀測(cè)記錄，庫(kù)區(qū)上游的提水水量也難以準(zhǔn)確還原，同時(shí)隨著下墊面產(chǎn)匯流條件的不斷變化，無法采用直接法推求入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水，故設(shè)計(jì)洪水采用暴雨途徑推求。由于本流域缺少實(shí)測(cè)的暴雨洪水資料，采用《江蘇省暴雨洪水圖集》中的地區(qū)綜合成果。

匯流計(jì)算采用單位線方法，水庫(kù)集水面積F=148.5 km2，干流比降 J=37.3‰，則匯流參數(shù) m1=3.2（F/J）0.28=4.7，m2=1/3。考慮到m1受降雨特性不同會(huì)有一定變幅，m1與凈雨R、凈雨歷時(shí)tc有關(guān)，對(duì)m1進(jìn)行非線性修正，修正公式為：m1=316.083R-1.5139tc0.9875。

同時(shí)，分析洪水合理性，整編該水庫(kù)流域內(nèi)水文站降雨資料，對(duì) 3 h、6 h、12 h、24 h 及 3 d 面暴雨計(jì)算均采用泰森多邊形法，計(jì)算成果與初步設(shè)計(jì)洪水頻率相比較，復(fù)核設(shè)計(jì)洪水稍大，考慮到復(fù)核暴雨系列延長(zhǎng)，并包含一場(chǎng)較大暴雨，因此復(fù)核計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果更為合理。

根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪原則、泄流能力曲線、水庫(kù)水位- 庫(kù)容關(guān)系，采用水庫(kù)水量平衡基本方程及水庫(kù)壩址洪水靜庫(kù)容法，對(duì)各頻率設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪演算。經(jīng)調(diào)洪計(jì)算復(fù)核，100 年一遇設(shè)計(jì)洪水位23.09 m，設(shè)計(jì)入庫(kù)洪峰流量1033.85 m3/s，最大下泄流量266.76 m3/s；2000 年一遇校核洪水位24.34 m，入庫(kù)洪峰流量1499.40 m3/s，最大下泄流量392.80 m3/s。除險(xiǎn)加固初設(shè)批復(fù)為100 年一遇設(shè)計(jì)洪水位23.00 m，2000 年一遇校核洪水位24.42 m。偏安全考慮，本次安全復(fù)核采用以下特征水位：100 年一遇設(shè)計(jì)洪水位23.09 m、2000 年一遇校核洪水位24.42 m。

經(jīng)壩頂超高計(jì)算復(fù)核，該水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂高程小于計(jì)算的最大壩頂高程，但根據(jù)“當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時(shí)，壩頂超高可改為對(duì)防浪墻頂?shù)囊蟆５藭r(shí)在正常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)高出靜水位0.5 m；在非常運(yùn)用條件下，壩頂應(yīng)不低于靜水位”[4]。現(xiàn)狀壩頂高程滿足抗洪能力要求，水庫(kù)泄流能滿足安全下泄要求。

2.3 滲流安全評(píng)價(jià)

滲流安全評(píng)價(jià)要復(fù)核大壩滲流控制措施，并通過滲流觀測(cè)資料和滲流計(jì)算分析大壩的實(shí)際滲流性態(tài)，評(píng)價(jià)大壩能否滿足按設(shè)計(jì)條件安全運(yùn)行。

以主壩為例，主壩為均質(zhì)土壩，壩基主要為粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，下臥安山巖，滲透系數(shù)均較小。對(duì)主壩進(jìn)行滲流壓力監(jiān)測(cè)，通過水位過程線，判斷測(cè)點(diǎn)水位與庫(kù)水位是否具有相關(guān)性。選取主壩最大壩高斷面，計(jì)算斷面見圖1。各土層滲透系數(shù)參考初步設(shè)計(jì)參數(shù)值，再根據(jù)觀測(cè)資料進(jìn)行反演調(diào)整。

圖1 主壩計(jì)算斷面

滲流計(jì)算采用二維有限元滲流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖2、表1。結(jié)果表明，主壩壩坡出逸點(diǎn)高程低于貼坡反濾頂高程，計(jì)算滲透比降小于允許值，主壩滲透穩(wěn)定性滿足要求。

圖2 主壩計(jì)算斷面滲流等勢(shì)線圖

表1 滲透坡降計(jì)算成果表

2.4 大壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)復(fù)核大壩在靜力條件下的變形、強(qiáng)度與穩(wěn)定性是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。土石壩主要進(jìn)行變形與穩(wěn)定分析，混凝土壩、砌石壩及輸水、泄水建筑物則是強(qiáng)度與穩(wěn)定分析。

以主壩為例，采用簡(jiǎn)化畢肖普法，選擇圓弧型滑裂面，滑動(dòng)面上的孔隙水壓力根據(jù)滲流分析成果確定，計(jì)算斷面見圖1。考慮到土壩建成運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，主固結(jié)過程已基本完成，且土料滲透系數(shù)小，地勘提供的固結(jié)快剪成果值可看作該土料的總應(yīng)力指標(biāo)值。由于地勘未提供有效應(yīng)力指標(biāo)，可將總應(yīng)力指標(biāo)c、φ 適當(dāng)調(diào)整得到有效應(yīng)力指標(biāo)c’、φ’，土料分區(qū)同滲流計(jì)算分區(qū)，分區(qū)土料的計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果表

壩坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算工況和穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見表3。主壩、副壩沉降量較小并趨于穩(wěn)定，未見異常變形情況。

表3 穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果表

2.5 大壩抗震安全評(píng)價(jià)

該工程區(qū)場(chǎng)地類別為II 類，地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度值為Ⅶ度。復(fù)核結(jié)果見圖3、表4，大壩抗震穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求[5]，不存在地震液化問題。

圖3 主壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算圖

表4 穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果表

2.6 泄輸水建筑物安全評(píng)價(jià)

綜合地形、地質(zhì)條件和樞紐總體布置，泄、輸水建筑物選型合適、布置合理，防滲體系完整。通過水力復(fù)核計(jì)算，各建筑物體形設(shè)計(jì)及消能方式合適，泄流能力與消能效果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)結(jié)構(gòu)與抗?jié)B復(fù)核，各建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性均滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，滲徑長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求。

2.7 金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

對(duì)閘門外觀檢查的腐蝕程度、焊縫質(zhì)量，啟閉機(jī)及電氣設(shè)備外觀性能、電氣參數(shù)、材料特性參數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)，供電線路、變壓器設(shè)備、備用電源、配電設(shè)備基本完好，閘門強(qiáng)度、應(yīng)力和變形以及啟閉機(jī)啟閉力復(fù)核結(jié)果均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)檢查和安全檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

3 結(jié)論

本次安全評(píng)價(jià)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析和復(fù)核計(jì)算，該水庫(kù)大壩現(xiàn)狀工程質(zhì)量總體合格，運(yùn)行管理?xiàng)l件好，水庫(kù)大壩防洪安全、滲流穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗震穩(wěn)定、泄輸水建筑物及金屬結(jié)構(gòu)安全等均滿足要求，運(yùn)行情況總體正常，應(yīng)屬“一類壩”。