壩腳附近新建省道對水庫大壩安全影響分析與評價

顧浩欽 寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司

陳之淵 河海大學(xué)水利水電學(xué)院

郭素真 沈翔 寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司

1.工程概況

楊梅嶺水庫位于浙江省寧波市寧海縣梅林街道境內(nèi)鳧溪下游，是一座以防洪、灌溉、供水為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。水庫于1958年動工，1961年建成。期間經(jīng)歷過多次除險加固，最近一次為2009年10月開工建設(shè)的維修加固工程，并于2012年4月通過蓄水階段驗收后恢復(fù)蓄水。

楊梅嶺水庫正蓄常水位24.11m，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，設(shè)計洪水位25.56m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇，校核洪水位27.38m，總庫容1509萬m3。水庫樞紐工程等別Ⅲ等，主要由大壩（主壩、三座副壩）、泄洪建筑物（溢洪道、泄洪閘、過水土壩）、發(fā)電引水隧洞、電站（兩座）、虹吸管、泵站等建筑物組成。

楊梅嶺水庫第一副壩原為粘土斜墻壩，維修加固后，壩體防滲采用防滲粘土斜墻、懸掛式低彈模混凝土防滲墻及防滲鋪蓋分段結(jié)合使用的方式，防滲墻上部粘土夯填密實(shí)。第一副壩壩長1810m，壩頂高程28.70m，防浪墻頂高程29.70m。

38省道寧海橋頭胡至深甽段改建工程（以下簡稱省道）是寧海西北部地區(qū)東西向交通干線，是寧海連接新昌的一條重要的交通干線，是寧海旅游帶的一條交通干線。省道按公路-Ⅰ級設(shè)計，雙向六車道，設(shè)計速度80km/h，路基寬度32m，其穿過楊梅嶺水庫第一副壩下游壩腳的1.8km段位于水庫管理范圍內(nèi)。

2.安全影響分析與評價的必要性

根據(jù)《浙江省水利工程安全管理條例》，“中型水庫大壩的管理范圍為大壩兩端以外不少于80m的地帶（或者以山頭、崗地脊線為界），以及大壩背水坡腳以外80m至200m內(nèi)的地帶；保護(hù)范圍為管理范圍以外30m至80m內(nèi)的地帶”。本次新建省道的1.8km段臨近水庫第一副壩下游壩腳，省道建設(shè)用地紅線與第一副壩下游壩腳的距離約5.0～18.1m，1.8km段省道全部建設(shè)內(nèi)容位于楊梅嶺水庫管理范圍內(nèi)。

因完善浙江省國省道主干公路網(wǎng)絡(luò)及促進(jìn)寧海社會經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展、加快區(qū)域城市化進(jìn)程、帶動區(qū)域旅游業(yè)發(fā)展的需要，本次38省道改建工程，為確需建設(shè)的建筑物（構(gòu)筑物）。但省道的建設(shè)，占用了楊梅嶺水庫的管理范圍，且省道在施工時的土石方挖填及堆載、道路施工機(jī)械作業(yè)及道路運(yùn)行期的車輛荷載等將直接作用在第一副壩下游壩腳附近，對水庫大壩的安全運(yùn)行存在一定影響。

因此，根據(jù)《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》、《水庫大壩安全管理條例》及《浙江省水庫大壩安全管理辦法》、《浙江省水利工程安全管理條例》等相關(guān)法律法規(guī)及條例條文，有必要進(jìn)行省道對水庫大壩等的安全影響進(jìn)行全面、系統(tǒng)的論證分析與評價，確保省道建設(shè)及投入使用后確實(shí)能不影響或盡可能減少對楊梅嶺水庫工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并為水行政主管部門和相關(guān)部門科學(xué)決策及審批提供理論依據(jù)。

3.省道運(yùn)行期對水庫大壩的影響分析

3.1 省道運(yùn)行期對壩體影響分析

在省道竣工通車的道路運(yùn)行期間，第一副壩壩體的抗滑穩(wěn)定安全分析計算選取3種工況（正常蓄水位工況1、設(shè)計洪水位工況2、校核洪水位工況3）。計算分析選擇最危險斷面（靠近第一副壩壩腳最近、道路寬度最大的整體式路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面），分別就未建道與省道建成運(yùn)行后的壩體抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2020），本次計算采用瑞典圓弧法。在省道運(yùn)行期計算中計入汽車荷載（以車輛荷載計入），同時汽車荷載的沖擊力以汽車荷載乘以沖擊系數(shù)μ的方式考慮。根據(jù)工程地質(zhì)勘察確定第一副壩壩體各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1所示。

表1 第一副壩各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

經(jīng)計算，未建道各工況下第一副壩壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.625、1.509、1.301，均滿足規(guī)范要求（規(guī)范允許最小安全系數(shù)，正常運(yùn)用工況1和2為1.20，非常運(yùn)用工況3為1.10）。省道修建完工并通車后壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.638、1.516、1.312，略大于未建道情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)。

省道竣工通車后，在第一副壩下游壩腳外側(cè)增加了道路基礎(chǔ)及車輛荷載，一定程度上起到了鎮(zhèn)壓平臺的作用，從而增加了壩體斷面的抗滑穩(wěn)定安全性。因此省道運(yùn)行期對楊梅嶺水庫第一副壩的抗滑穩(wěn)定安全起到了有利影響，安全系數(shù)有所提升。

3.2 省道運(yùn)行期對防滲墻影響分析

楊梅嶺水庫維修加固后，第一副壩壩體0+680～1+685段采用原粘土斜墻結(jié)合懸掛式低彈模混凝土防滲墻相結(jié)合的防滲方式。混凝土防滲墻布置在壩軸線上游1.8m處，軸線長度1005m，墻厚0.4m。墻體材料為低彈模砼，要求28天抗壓強(qiáng)度≥8.0MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s，彈性模量≤6000MPa，抗?jié)B等級不低于W4。低彈模砼防滲墻墻頂高程27.70m，墻體穿透砂礫卵石層（Ⅱ1）并進(jìn)入相對不透水層含泥砂礫卵石層（Ⅱ2）不小于3.0m，最大墻深22.54m。

圖1 第一副壩壩體及防滲墻、省道二維有限元模型圖

本文采用水工結(jié)構(gòu)二維有限元方法，分析在道路運(yùn)行期間車輛的長期震動荷載作用下，第一副壩壩體低彈模混凝土防滲墻的平面有限元應(yīng)力變形狀態(tài)，典型斷面有限元模型結(jié)構(gòu)計算按照平面應(yīng)變問題考慮。地基土的模擬深度為防滲墻以下20m，大壩兩側(cè)的模擬范圍為壩體上游側(cè)外延30m，壩體下游側(cè)存在省道，故外延60m。

本文選取工況2，并在計算分析中認(rèn)為大壩已運(yùn)行多年，其固結(jié)沉降已基本完成，故不再考慮原壩體豎向荷載包括其自重的影響，只計入初始應(yīng)力場。省道計入道路及路基自重荷載。模型各分區(qū)的材料參數(shù)根據(jù)工程地勘資料并參考類似工程計算經(jīng)驗選取。

模型計算分析時，首先通過靜力分析，建立初始自重應(yīng)力場，在該自重應(yīng)力場下進(jìn)行車輛荷載微振分析。模擬中，將車荷載簡化為一個均布壓力，并通過隨時間改變均布壓力位置來模擬車輛的行駛。計算選取壩體防滲墻頂部和底部為主要研究對象，分析其在車輛振動荷載作用下的響應(yīng)情況，成果見表2所示。

表2 防滲墻在省道運(yùn)行期應(yīng)力變形最值成果表

根據(jù)表2分析，省道運(yùn)行期，車輛振動荷載引起的第一副壩防滲墻墻體水平和豎直向位移響應(yīng)均較小；除墻體頂部部分位置出現(xiàn)拉應(yīng)力外，墻身基本受壓，量值在可控范圍內(nèi)。由于低彈模混凝土防滲墻很“柔”，通過變形協(xié)調(diào)，可與周圍土體共同承受水荷載及道路車輛傳來的荷載，因此具有很強(qiáng)的適應(yīng)變形能力。據(jù)此成果分析，省道運(yùn)行期車輛行駛對第一副壩壩體混凝土防滲墻影響不大，未見危及防滲墻安全的損傷出現(xiàn)。

4.省道施工期對水庫大壩的影響分析

4.1 省道施工期對壩體影響分析

省道施工期，在第一副壩下游壩腳外進(jìn)行了路基土石方的小幅開挖置換，土石方開挖后，一定程度上減少了下游壩腳后的土體荷載。仍選擇最危險計算斷面，省道道路部分調(diào)整為路基開挖后斷面，分別就省道施工開挖后壩體在3種水位工況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算。

經(jīng)計算，省道施工期路基開挖后壩體各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.618、1.500、1.287。由此可知省道施工期間，第一副壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)略有降低，但從數(shù)值看，均仍大于規(guī)范要求。

4.2 省道施工期對防滲墻影響分析

省道施工中，路基及路面需要采用碾壓處理，路基碾壓過程中，因施工機(jī)械運(yùn)行及振動碾壓等動荷載作用，將對地基土層沿縱深方向產(chǎn)生擾動并一定程度將傳至第一副壩壩內(nèi)混凝土防滲墻。本文選取工況2進(jìn)行計算分析，相關(guān)假定同運(yùn)行期計算，同時道路施工碾壓按照隨時間變化的速度荷載考慮。據(jù)此采用二維有限元模型進(jìn)行計算分析，得出計算斷面壩體混凝土防滲墻在墻頂、墻身及墻底處的最大振動垂直向速度分別為2.31、2.19、2.10 cm/s，水平向速度分別為2.54、2.41、2.33 cm/s。

受施工機(jī)械振動碾壓的影響，低彈模混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)是否會產(chǎn)生振動損傷并危及安全，目前尚未有國家規(guī)范明確規(guī)定防滲墻的安全允許振動速度值，國內(nèi)外也尚無確定的安全判據(jù)或?qū)ｉT的研究成果可資判明。但作為誘發(fā)的振動荷載，其與基巖開挖爆破誘發(fā)振動頻率有一定的相似性，因此本文參考《水工建筑物巖石地基開挖施工技術(shù)規(guī)范》關(guān)于新澆筑大體積混凝土基礎(chǔ)上的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度的規(guī)定（齡期7d～28d時，在不同主頻下為7.0～12.0cm/s），判別計算成果。

根據(jù)模型有限元計算成果，省道施工機(jī)械碾壓引起的壩體混凝土防滲墻質(zhì)點(diǎn)振動最大速度為2.54cm/s，而防滲墻施工完成并已運(yùn)行多年，對比7～28d齡期混凝土安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度值的下限表明，省道施工期碾壓作業(yè)引起的壩體混凝土防滲墻振動響應(yīng)較小，對防滲墻墻體影響不大。同時根據(jù)防滲墻各部位邊緣或中心位置的質(zhì)點(diǎn)，其振動結(jié)果沒有明顯差異，碾壓振動引起的水平向振動速度相應(yīng)稍大于垂直向，但振動速度值基本處于同一量級。

5.結(jié)語

水庫管理范圍內(nèi)新建省道，按相關(guān)法律法規(guī)及條例規(guī)定，進(jìn)行其建設(shè)對水庫大壩的安全影響分析與評價是必要的。本文通過省道運(yùn)行期及施工期的理論計算分析表明：

（1）省道施工期碾壓作業(yè)引起的壩體混凝土防滲墻振動響應(yīng)較小，對防滲墻墻體影響不大。

（2）省道運(yùn)行期車輛振動荷載引起的防滲墻墻體水平和豎直向位移響應(yīng)、及墻體應(yīng)力變形均較小，未見危及防滲墻安全的損傷出現(xiàn)。

（3）省道施工期對第一副壩壩體抗滑穩(wěn)定略有影響，但仍滿足規(guī)范要求；運(yùn)行期壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有所提升。

（4）由于道路施工碾壓荷載振動幅度隨機(jī)性較大，但該過程持續(xù)的時間較短，施工中可以通過合理選擇路基及路面碾壓方式等，進(jìn)一步減小對壩體及防滲墻的影響。

目前省道已建成并投入使用多年，楊梅嶺水庫第一副壩壩體運(yùn)行仍安全可靠。