王家廠水庫大壩基于風險分析的加固時機研究

熊思星，張貴金，雷 勇，楊博石，李 毅

（1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙410114；2.常德市水利局，湖南 常德415000）

引言

2015年6月，國際大壩委員會統計了世界58 266座水庫大壩，土石壩占比高達63%；在中國土石壩的比重更高達95%以上[1]。國內大部分土石壩興建于20世紀50—70年代，許多水庫設計不夠合理，考慮影響因素不夠全面完善，勘測施工狀況差，已經達到或即將到達正常使用年限，存在不同程度的病險。雖然近10年來我國進行了大規模的除險加固，但依然存在眾多風險。因此，對病險土石壩進行風險評估，發現大壩的薄弱環節，對危險部位進行改進，十分具有現實意義。

將風險分析理論和方法應用于安全管理實踐當中[2]：襲瑞瑞、黃海龍等[3]探索了大壩安全風險標準制定的有關問題；周克發、袁輝等[4]提出了以病害指數衡量大壩病害程度，將水庫大壩潰決可能性劃分為相應的5個等級；羅國武、區軍雄等[5]建立了考慮設計參數模糊性和失效準則模糊性的壩坡失穩模糊風險模型，采用現有傳統風險計算方法計算土石壩的失事概率；楊建平等[6]對小凈距隧道在不同荷載釋放比例下不同支護時機的圍巖穩定性影響進行了研究分析；楊靈等[7]對隧道開挖后不同釋放荷載系數下施加支護的效果進行了分析，表明釋放荷載系數為60%～70%是理論最佳支護時機；張建海等[8]基于脆性圍巖的“適時加固”思想以及地下工程時效變形特征，提出了最優支護時機的近似計算公式。

王家廠水庫是一座運行了60多年的大（Ⅱ）型水庫，由于研究深度不夠，除險加固后依然存在眾多病險，十分有必要對其病險現狀進行評估，開展風險分析，并提出除險加固時機。

1 大壩病險現狀

王家廠水庫興建于1958年，經歷兩次加高培厚，至2007年6月底除險加固全面竣工。由于當時各方面條件的限制，設計不夠合理，施工存在問題，2018年經勘察，發現存在多處病險：

1）溢洪道堰體出現裂縫、側墻高度不滿足現行規范要求、弧形閘門銹蝕嚴重、起閉設備老化，特別是進口明渠邊坡破壞嚴重，如圖1所示。

圖1 大壩進口明渠邊坡現狀

2）壩體填土質量差，69～72 m標高以下合格率僅為70%，72 m標高以上合格率僅60%。受工藝限制，壩體壓實度小于98%，含水量偏高，不滿足規范要求。

3）主壩上游壩坡整體變形較大，局部大變形處于正常水位以下，導致護坡六棱塊沉陷破壞，如圖2所示。壩頂存在一條沿壩軸線貫通的裂縫，如圖3所示。

圖2 大壩局部大變形現狀

圖3 壩頂貫通的裂縫現狀

2 水庫大壩漫頂風險

1）基本資料。水庫位于湖南省澧縣澧水支流涔水干流中游，灌溉面積35萬畝，壩址以上集雨面積484 km2，兼顧防洪、發電和養殖等綜合效益。保壩洪水位86.65 m，設計洪水位84.10 m，正常蓄水位82.60 m，汛限水位為80.00 m。水庫汛期4—9月平均最大風速12.5 m/s，主壩上游臨水坡坡比為1∶2.5。

2）風險計算。用Z代表壩前水位，H代表壩頂高程，漫頂事件可表示為Z>H。壩前水位Z的影響因素主要有：起調水位Z0、洪水作用增加的水位L、風荷載作用引起的壩前水位風壅高度e和波浪爬高R。洪水漫頂事件發生的概率Pf表示為[9～10]：

根據風險因子量化的相關公式，將與水庫大壩漫頂風險相關因子的不確定性量化，具體特征值見表1。

表1 部分工況漫頂風險因子的特征值

漫頂風險結果見表2。

表2 不同水位下漫頂風險率計算結果

由表2可知：水庫漫頂風險概率小，壩頂無需加高，高程滿足現行規范的防洪要求。但需修復支護溢洪道進口明渠邊坡，更換啟閉設施，防護流道建筑物，確保安全泄洪。

3 主壩變形穩定風險分析

1）計算條件。基于設計、施工資料以及壩址地質地貌信息等，建立王家廠水庫土石壩三維整體有限元模型，如圖4、圖5所示，河床壩段地基邊界：沿壩體壩踵和壩趾分別向上、下游截取200 m，深度方向延伸50 m。采用有限元強度折減法計算壩坡穩定。

圖4 大壩材料分區模型

圖5 大壩網格劃分模型

2）參數反演。依據2003年監測數據，利用各向異性模型進行反演分析，得壩體材料參數如表3。

表3 土石壩壩體材料參數表

3）時序變形的風險趨勢。通過逐步折減土體的抗剪強度參數，直到邊坡達到臨界破壞狀態為止，此時得到的折減系數就是邊坡的安全系數值Fs。對彈性模量折減，見式（3）；折減后的抗剪強度指標c′和φ′如下：

依據2005年、2008年、2012年、2015年監測數據，分別完成參數反演。依時序對不同工況進行有限元計算得到主壩變形特性，從主壩三維有限元模型中考察3個典型剖面如圖5。異常沉降部位截取剖面1，最靠近異常沉降部位的觀測點部位截取剖面2，主壩最寬處部位截取剖面3。

剖面2正常蓄水位82.6 m情況下的結果如表4。

表5和圖6計算結果與監測值對比表明，不同年限的監測值和變形計算值誤差較小，均不超過5%，表明反演確定的參數基本吻合大壩的整體變形，數值分析結果可信。

表4 剖面2不同年限計算值數值對比表

表5 剖面2監測值和變形計算值對比表

圖6 不同年限作用下材料折減系數K1值

將反演所得參數與2003年反演所得參數進行對比，得到相關材料折減系數K1。土石壩壩體位移最大值、應力最大值呈增大趨勢，計算值雖在規范內，但壩體按時序的變形風險在不斷加大。

基于材料折減系數K1趨勢圖，推測2018年壩體材料折減系數為1.541，計算2018年王家廠水庫在正常蓄水位82.6 m條件下變形情況如表6。

表6 2018年正常變形不同工況計算值

4）局部高風險趨勢。2018年現場檢測發現壩體局部大變形，沉陷部位相對壩體下沉約4 cm，推測該部位由于填筑質量差，在滲透作用下產生異常沉降。對異常沉降部位材料參數二次折減，在正常蓄水位82.6 m條件下結果如表7和表8。

表7 剖面1異常沉陷部位變形計算值對比表

表8 2018年異常變形不同剖面計算值

4 除險加固時機

1）變形預測模型。參考圖6，材料折減系數K1變化符合指數函數關系，其隨時間變化的擬合表達式：

計算得出2030年壩體材料折減系數為1.699。利用折減系數，選取不同工況，預測2030年王家廠水庫變形情況，結果如表9。

表9 2030年不同工況計算值對比表

由表9可知：壩頂垂直位移、水平位移最大值隨水位的增加呈增大趨勢；壩體總位移、壩內最大壓應力和最大壓應力值也呈增加趨勢。

基于變形計算值，預測壩體剖面2垂直位移最大值，對比異變前、異變后位移變化如圖7。

圖7 不同年限作用下剖面2垂直位移最大值

對時間t和剖面2垂直位移最大值采用指數衰減擬合，得最大位移隨時間變化的模型：

2）加固時機。對比壩坡抗滑穩定最小安全系數規范值，反演得到折減系數K1為1.82時，安全系數滿足規范要求，確定此時為最佳加固時機，計算結果見表10。

表10 壩坡抗滑穩定計算成果表

通過擬合公式反推安全系數臨界值，理論上可選擇2045年作為加固時機，此時水庫變形情況計算數值見表11。

表11 2045年不同剖面計算值對比表

5 結論與對策

1）水庫高程及泄洪能力滿足現行規范的防洪要求，但需修復支護溢洪道進口明渠邊坡，更換啟閉設施，防護流道建筑物，確保安全泄洪。

2）壩體目前存在整體變形與局部異常變形，計算表明依時序變形的風險逐漸增大，最大位移均出現在上游同一高度區域，會影響壩體整體穩定安全；局部高風險區域變形會影響上游壩坡穩定。

3）雖然變形預測評價尚有時間裕度，但為安全起見，大壩加固宜早實施。建議增加壩基地質缺陷探查，并對壩體采取灌注黏土水泥類材料，提高密實度，控制變形。