郎沖畈水庫(kù)安全復(fù)核研究

文小鎖

（銅陵南部城區(qū)建設(shè)管理委員會(huì)，安徽 銅陵 244000）

1 引言

水庫(kù)安全對(duì)下游居民以及重要建筑物的安全有較大的影響[1，2]。早期修建的水庫(kù)，受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平，水庫(kù)施工質(zhì)量較為低下，導(dǎo)致水庫(kù)安全不滿足現(xiàn)狀需求[3，4]。針對(duì)早期修建的水庫(kù)，對(duì)其安全情況進(jìn)行復(fù)核是十分必要的，可為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程提供參考。結(jié)合郎沖畈水庫(kù)工程，對(duì)水庫(kù)安全復(fù)核進(jìn)行分析。

郎沖畈水庫(kù)位于銅陵市郊區(qū)大通鎮(zhèn)金華境村內(nèi)，距銅陵市區(qū)7 km，屬長(zhǎng)江流域順安河水系，集水面積2.00 km2。水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積0.07萬(wàn)畝，有效灌溉面積0.05萬(wàn)畝。水庫(kù)下游防洪保護(hù)范圍有中安客運(yùn)專線、銅九鐵路、沿新大道和佘家村、竹園里村、墩上村、大院村等村莊，防洪保護(hù)農(nóng)田0.12萬(wàn)畝，保護(hù)人口0.15萬(wàn)人。水庫(kù)現(xiàn)狀壩頂高程50.7 m(吳淞高程，下同)，興利水位49.3 m，興利庫(kù)容16.3萬(wàn)m3，原總庫(kù)容29.5萬(wàn)m3。

2 水庫(kù)防洪復(fù)核

2.1 水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)

郎沖畈水庫(kù)原設(shè)計(jì)總庫(kù)容29.5萬(wàn)m3，本次復(fù)核總庫(kù)容29.84萬(wàn)m3。防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計(jì)、300年一遇洪水校核。工程等別為Ⅴ等，主要水工建筑物為5級(jí)。

2.2 起調(diào)水位

郎沖畈水庫(kù)是以灌溉為主，同時(shí)具有防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益的小㈡型水庫(kù)。水庫(kù)的起調(diào)水位采用原設(shè)計(jì)選定的正常蓄水位。郎沖畈水庫(kù)在經(jīng)過(guò)歷次續(xù)建工程建設(shè)后，壩頂高程達(dá)50.40～50.70 m，溢洪道堰頂高程49.30 m。本防洪安全復(fù)核報(bào)告不再?gòu)?fù)核原興利規(guī)模。其起調(diào)水位采用正常蓄水位49.30 m。

2.3 水庫(kù)高程～面積～容積關(guān)系曲線

根據(jù)1∶10 000地形圖，重新對(duì)水庫(kù)的流域面積和正常蓄水位高程以上的高程～面積～容積關(guān)系進(jìn)行了量算。

郎沖畈水庫(kù)的水位～庫(kù)容關(guān)系曲線見圖1。

圖1 郎沖畈水庫(kù)水位～容積關(guān)系曲線

2.4 泄洪建筑物水位～流量關(guān)系曲線

郎沖畈水庫(kù)的泄洪設(shè)施只有正常溢洪道(本水庫(kù)無(wú)非常溢洪道)，1座灌溉放水涵主要用于灌溉放水，其放水規(guī)模較小，不考慮其泄洪作用。

郎沖畈水庫(kù)溢洪道位于水庫(kù)大壩左端，是郎沖畈水庫(kù)唯一的泄洪建筑物。溢洪道為寬頂堰，堰頂高程49.30 m，堰寬12.0 m。

溢洪道水位～泄量關(guān)系見表1。

表1 郎沖畈水庫(kù)水位～庫(kù)容積～泄量關(guān)系表

2.5 水庫(kù)的防洪要求及調(diào)度運(yùn)用方式

郎沖畈水庫(kù)的開發(fā)任務(wù)以灌溉為主，在原設(shè)計(jì)和續(xù)建工程建設(shè)中，均未考慮為下游防洪控制水庫(kù)的泄量問(wèn)題。水庫(kù)放水涵主要作用為灌溉放水，不參與水庫(kù)的泄洪。溢洪道為開敞式泄洪建筑物，因此，郎沖畈水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)用方式為：當(dāng)水庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水位49.30 m時(shí)，溢洪道自行泄洪，以確保水庫(kù)大壩安全。

2.6 調(diào)洪計(jì)算成果

根據(jù)上述擬定的調(diào)洪演算原則及本次復(fù)核的水庫(kù)容積關(guān)系曲線、泄洪建筑物泄量關(guān)系曲線和設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪演算，成果見表2。其中20年一遇洪水位50.25 m，300年一遇洪水位51.04 m。

表2 郎沖畈水庫(kù)調(diào)洪演算成果表

本次調(diào)洪演算設(shè)計(jì)洪水與校核洪水成果與原設(shè)計(jì)成果比較見表3。

表3 兩次調(diào)洪演算成果表

從對(duì)比結(jié)果可以看出，原設(shè)計(jì)成果相比較，本次復(fù)核成果20年一遇設(shè)計(jì)洪水位比較原設(shè)計(jì)水位低0.14 m，300年一遇校核洪水位與原設(shè)計(jì)水位比較接近，主要原因有：⑴洪水計(jì)算辦法不同；⑵流域特征值與原設(shè)計(jì)略有出入。

3 大壩安全復(fù)核

3.1 滲流安全復(fù)核

3.1.1 壩體滲透破壞類型的判別

利用本次勘探試驗(yàn)成果，對(duì)壩身填土的滲透變形類型及滲透破壞可能性進(jìn)行判別。符合下列條件則為流土破壞，反之，為管涌破壞。

其中：n土的孔隙率，取n=0.775；Pc土的細(xì)粒顆粒含量；

對(duì)連續(xù)級(jí)配的土，土的細(xì)顆粒界限粒徑df按下式計(jì)算：

式中：d70、d10分別占總土重的70%和10%的土粒粒徑。

流土型土采用下式計(jì)算土的臨界水力坡降：

式中：Jcr—土的臨界水力坡降；Gs—土的顆粒密度與水的密度之比（土粒比重）；n—土孔隙率；

管涌型土采用下式計(jì)算土的臨界水力坡降：

式中：d5、d20分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑；Jcr—土的臨界水力坡降；Gs—土的顆粒密度與水的密度之比（士粒比重）；n—土的孔隙率；

各土層允許滲透坡降［J］以土的臨界坡降除以2.0的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 壩身填土的滲流臨界坡降計(jì)算值

3.1.2 滲流穩(wěn)定計(jì)算

（1）計(jì)算斷面選取

郎沖畈水庫(kù)大壩壩頂長(zhǎng)290 m，綜合考慮地形地貌，壩身高度及壩基、壩身填土條件、實(shí)際發(fā)生滲漏及滑坡險(xiǎn)情等情況，選取較不利的大壩中部1個(gè)代表斷面作為計(jì)算斷面，進(jìn)行大壩滲流穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

（2）計(jì)算參數(shù)選取

通過(guò)對(duì)各地質(zhì)鉆孔土層出露的綜合分析，取各土層的滲透系數(shù)值于表5。

表5 壩身土體滲透系數(shù)取值

（3）滲流穩(wěn)定計(jì)算

采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBank河海大學(xué)工程力學(xué)研究所)進(jìn)行壩身及壩基的滲流穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算工況在穩(wěn)定滲流期分正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用兩種情況，計(jì)算工況和上下游水位見表6。

表6 現(xiàn)狀壩坡滲流穩(wěn)定計(jì)算工況及水位

經(jīng)計(jì)算，滲流出逸點(diǎn)高度、單寬滲透流量及各種工況壩坡出逸坡降值計(jì)算結(jié)果，見表7，繪制的等勢(shì)線見圖2。

表7 現(xiàn)狀大壩抗?jié)B穩(wěn)定核算成果表

（4）計(jì)算結(jié)果分析

壩坡水平滲透坡降值在0.31～0.32之間，垂直滲透坡降值0.29。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，粉質(zhì)粘土在其出口段允許坡降：水平為0.25～0.35，垂直為0.25～0.36。典型剖面的水平滲透坡降、垂直滲透坡降均能夠滿足規(guī)范要求。

由于壩體土層滲透性較強(qiáng)，在正常及非常運(yùn)用時(shí)，計(jì)算壩體內(nèi)浸潤(rùn)線偏高，下游壩面出逸點(diǎn)高程較高(壩腳以上3.98～4.25 m)。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)滲漏最高出逸點(diǎn)在平臺(tái)附近，與計(jì)算結(jié)果基本一致。

綜上，大壩下游壩面滲流出逸點(diǎn)位置較高，大壩容易發(fā)現(xiàn)流土破壞等險(xiǎn)情，因此，應(yīng)采取工程措施予以加固處理。

圖2 總水力坡降等勢(shì)線圖

3.2 壩坡穩(wěn)定性復(fù)核

3.2.1 穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定計(jì)算

（1）計(jì)算工況

結(jié)合本壩特性，計(jì)算工況在穩(wěn)定滲流期分正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用兩種情況組合，主要是計(jì)算壩體的下游壩坡穩(wěn)定，主要計(jì)算工況和上下游水位見表8。

表8 穩(wěn)定滲流期的壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況和水位

（2）浸潤(rùn)線計(jì)算

浸潤(rùn)線計(jì)算采用滲流有限元進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算水庫(kù)在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí)的滲流情況。

（3）計(jì)算成果

壩體邊坡的穩(wěn)定采用瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算，大壩穩(wěn)定計(jì)算成果見表9。從表中可以看出，代表斷面處壩體下游壩坡在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表9 穩(wěn)定滲流情況壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2.2 非穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定計(jì)算

（1）計(jì)算工況

非穩(wěn)定滲流期與穩(wěn)定滲流期相同，計(jì)算工況分正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用兩種情況組合。主要是計(jì)算壩體的上游壩坡穩(wěn)定，各種計(jì)算水位主要考慮從校核洪水位～正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位～正常蓄水位及正常蓄水位～死水位間的驟降，主要計(jì)算工況和上下游水位見表10。從表中可以看出，在各種工況下，非穩(wěn)定滲流條件下大壩壩坡是安全的。

表10 非穩(wěn)定滲流情況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結(jié)論

（1）根據(jù)郎沖畈水庫(kù)現(xiàn)狀防洪復(fù)核結(jié)果可知，水庫(kù)現(xiàn)狀無(wú)法滿足防洪需求，主要原因是泄洪建筑物泄洪能力不足，因此，水庫(kù)泄洪建筑物需采取除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)。

（2）通過(guò)對(duì)大壩安全和滲流情況復(fù)核驗(yàn)算，現(xiàn)狀壩坡穩(wěn)定性不同條件下均可滿足規(guī)范要求，滲流結(jié)果表明：水平滲透坡降、垂直滲透坡降均滿足要求，但大壩出逸點(diǎn)較高易出現(xiàn)流土破壞，大壩需采取防滲加固措施。