小堡子水庫大壩安全評價

全貞蓉

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 基本概況

1.1 工程概況

靜寧縣小堡子水庫位于紅寺河右岸細巷鄉小堡子村小堡子溝，壩址距縣城26 km，是一座以灌溉為主，兼有防洪功能的IV等小(1)型水庫，壩址以上控制流域面積11.86 km2，主溝道長6.3 km，溝道縱坡比降2%。水庫于1977年1月開工建設，1981年建成蓄水，經除險加固設計后總庫容為140.5萬m3，防洪標準按30 a一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。

小堡子水庫大壩為均質土壩，現最大斷面壩高33 m，壩頂高程為1702.54 m，最大壩高斷面壩頂寬6 m，壩體上游邊坡坡比為1∶3，壩下游馬道以上坡比為1∶3，馬道以下坡比為1∶3.8，下游坡馬道寬為2 m，馬道頂高程為1691.04 m。上游壩面為六邊形砼預制板鋪成，下游壩面草皮護坡。

輸水泄洪洞位于大壩右肩，為圓拱直墻式斷面，進水段左、右邊墻砼外觀完好；渠為梯形渠，底板有淤泥、雜草叢生。進口底板高程1691.74 m，底寬1.5 m，邊墻高1.3 m，洞頂半徑0.75 m。最大泄流量13.4 m3/s。輸水泄洪洞洞身段局部損壞，出口砼右側有開裂，破損。明渠段消力池淤積嚴重。輸水泄洪洞進口基本堵死，對水庫的安全泄洪構成了一定的威脅。

溢洪道布置于壩體右岸壩肩部位，基礎坐落在黃土層上，進口至陡坡段為2.2 m×3.55 m的矩形暗渠，陡坡至出口段為1.8 m×2.1 m的矩形暗渠，暗渠為現澆混凝土襯砌。渠出口建筑垃圾封堵嚴重，消力池內淤積嚴重，且長滿雜草。

1.2 工程存在的主要問題

(1)水庫原設計僅為20年一遇設計，200年一遇校核，不滿足規范30年～50年一遇設計，300年～1000年一遇校核的要求，加之水庫淤積，防洪庫容下降，防洪能力不足。

(2)大壩上、下游壩坡均有裂縫、沖刷坑和滑塌坑，且壩體內有空洞。

(3)輸水洞洞身段局部破壞，同時消力池段淤積嚴重。

(4)輸水洞閘門破損、啟閉機銹蝕嚴重，止水橡皮老化，不能正常工作。

(5)無大壩觀測設備和通訊設備。

(6)上壩道路狹窄，雨季車輛難以通行。

(7)水庫管理所辦公設施落后，缺乏必要的防汛搶險工具，無法滿足運行管理和防洪需要。

2 大壩運行管理評價

小堡子水庫的建設經歷了初建、加固維修和配套工程建設三個時期。自建成運行至今，因庫區淤積嚴重，管理體制不健全，基本上沒有進行常年看管，庫區維持空庫運行。

大壩運行至今，由于水庫淤積嚴重，壩前實際淤積高程已達到1693.00 m左右，高于輸水泄洪洞底板，輸水涵管淤塞堵死，無法參與泄洪。水庫目前沒有水文監測、位移、浸潤線、滲流觀測等科學的觀測手段，水庫管理所設置簡易雨量站1個，只開展實時雨情，人工巡查等監測。水庫能按照審批的調度規程進行調度運用，各項規章、制度較齊全并得到落實，水文測報及通信設施基本完備。運行管理評價結論為“較規范”。

3 大壩防洪標準復核

工程等級屬Ⅳ等小(1)型水庫，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。水庫防洪標準為30 a一遇設計，相應洪峰流量為72 m3/s；300 a一遇校核，相應洪峰流量為165.0 m3/s。

小堡子水庫的泄水建筑物包括輸水泄洪洞和溢洪道。

輸水泄洪洞位于右壩肩，為城門洞形無壓洞，水庫輸水洞經過2008年除險加固工程后，因庫區淤積嚴重，將輸水涵管淤塞堵死，現失去輸水功能。

溢洪道在壩右肩山體增設開敞式溢洪道，進水渠地板、寬頂堰堰頂高程1696.85 m，底寬2.2 m，溢洪道最大泄流能力27.8 m3/s。

小堡子水庫壩址附近無水文站及氣象站，水庫建成后也未進行水庫水文測驗，不能采用實測資料分析推求設計洪水，經調查近二十年小堡子水庫很少發洪水，洪峰流量較小，平時溝道基本干涸，采用暴雨資料進行設計洪水復核。大壩壩頂復核成果見表1。

表1 壩頂超高計算成果表 單位：m

計算結果表明，壩頂超高由非常運行條件下校核洪水位工況控制，小堡子現狀壩頂高程滿足現行《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)要求。

小堡子水庫防洪標準按30 a一遇洪水設計，300 a一遇洪水校核，滿足《防洪標準》(GB 50201-2014)及《水利水電工程等級及洪水標準》(SL 252-2017)的有關規定。計算后，小堡子現狀壩頂高程滿足校核洪水位所需的高程要求。

綜上所述，小堡子水庫大壩防洪能力滿足現行規范要求，大壩防洪能力安全評價結論為“安全可靠A級”。

4 工程質量評價

1)水庫岸坡全為土質岸坡，局部庫岸存在坍岸現象。庫區淤積嚴重，有效庫容極小，基本處于干庫狀態，失去了灌溉功能，防洪功能也減弱了。淤積物來源主要有固體泥流和庫岸坍塌。

2)水庫壩體填筑質量差，填筑土體密實程度低，且填筑不均勻；壩體及壩基不存在滲漏及滲流穩定問題；左、右壩肩與壩體銜接部位易產生不均勻沉降。

3)小堡子水庫泄洪及引水建筑物質量良好，滿足水庫運行要求。存在輸水洞進口基本被堵死，需人工清淤才能保證輸水洞運行。庫區淤積嚴重，壩肩與壩體銜接部位易產生不均勻沉降。

4)小堡子水庫運行管理房院內地面混凝土有細小裂縫、院墻墻體有沉陷、開裂情況，需對管理房進行維修加固。

5 大壩抗震穩定安全評價

土壩抗震穩定分析的計算目的是復核土壩在自重、滲透壓力、孔隙水壓力和地質動水壓力、地震動土壓力等的作用下，壩坡應具有足夠的穩定性，不致發生通過壩體或壩體與壩基接觸面的整體剪切破壞。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015)，本地區地震基本烈度為Ⅷ度。

5.1 計算參數

本次穩定計算參數選取將主要依據水庫安全鑒定工程地質報告，計算采用數值均取平均值。壩體填筑材料物理力學參數見表2。

表2 現狀主壩填筑材料物理力學指標表

5.2 計算結果

根據《水工建筑物抗震設計規范》(SL 203-97)的規定，水庫大壩壩坡穩定計算采用理正巖土計算6.0版邊坡穩定分析計算，依據《碾壓土石壩設計規范》采用圓弧滑動法尋找最危險滑動面，計算結果見圖1及表3。

圖1 大壩抗震計算圖

表3 主壩抗震穩定分析計算成果表

經計算，大壩抗震穩定性不滿足《水工建筑物抗震設計標準》(GB 51247-2018)要求。綜上所述，小堡子水庫大壩抗震結構整體穩定性不滿足相關規范要求，大壩抗震安全評定結論為“不安全C級”。

6 大壩滲流安全評價

小堡子水庫樞紐由大壩、輸水泄洪洞及溢洪道組成，大壩為黃土均質壩。根據現場調查，小堡子水庫未設置監測設備，壩后也無量水堰，由于本水庫監(觀)測資料甚少，因此，本次評價采取現場檢查法和計算分析法相結合的方法進行滲流評價。

通過現場檢查及運行過程中并未發現滲流異常現象，現狀下游壩腳處無排水棱體，無法降低壩體浸潤線，致使壩體滲流逸出點較高。

壩體滲流穩定分析采用理正巖土6.0版滲流問題有限元分析系統，采用有限元法。通過計算分析，防滲材料允許值高于壩體壩基滲透坡降，不存在滲透穩定性問題。大壩滲流安全評價結論為“基本安全B級”，存在缺陷。

7 結構穩定安全評價

7.1 計算參數的確定

結合水庫工程特點，計算參數依據水庫安全鑒定工程地質報告，計算數值采用平均值。詳細數據見表4。

表4 壩體材料滲透系數

7.2 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)，壩坡抗滑穩定計算應采用剛體極限平衡法，對于均質壩宜采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。

1)正常蓄水位穩定滲流期的上、下游壩坡(要求安全系數>1.25)；

2)校核洪水位穩定滲流期的上、下游壩坡(要求安全系數>1.25)。

各工況水位組合見表5。

表5 大壩滲流計算工況表

7.3 計算公式及結果

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)規定，圓弧滑動穩定可按下式簡化畢肖普法計算：

計算斷面取最大斷面，最大斷面壩高33 m，壩頂高程為1702.54 m，最大壩高斷面壩頂寬6 m，壩體上游邊坡坡比為1∶3，壩下游馬道以上坡比為1∶3，馬道以下坡比為1∶3.8，下游坡馬道寬為2 m。壩坡穩定采用瑞典圓法計算出圓弧滑裂面的安全系數，見圖2～圖5及表6。

圖2 正常蓄水位穩定滲流期上游游壩坡穩定計算簡圖

圖3 正常蓄水位穩定滲流期下游游壩坡穩定計算簡圖

圖4 校核洪水位穩定滲流期上游游壩坡穩定計算簡圖

圖5 校核洪水位穩定滲流期下游游壩坡穩定計算簡圖

通過對本大壩最大斷面進行邊坡穩定計算，得出該計算斷面在正常蓄水位和校核洪水位情況下穩定系數，計算成果見表6。

表6 穩定計算成果匯總表

從以上計算工況分析得出，大壩正常蓄水位工況下的上游壩坡，和校核洪水位工況下的下游壩坡抗滑穩定安全系數均不滿足規范要求，水庫大壩結構安全評定結論為“不安全C級”。

8 結論與建議

依據專項安全評價結論，對照《水庫大壩安全評價導則》(SL 258-2017)及《水庫降等與報廢標準》(SL 605-2013)規定，小堡子水庫大壩安全分類評定為三類壩，不安全，屬病險水庫大壩。安全運行存在問題，工程農田灌溉任務與效益已完全由引洮供水二期配套農業灌溉工程代替，無進一步開發利用價值。經綜合分析評價，小堡子水庫安全綜合評價結論為降等。

降等后小堡子水庫應全面加強水庫大壩安全監測，配置必要的監測設施與設備，全面加強監測數據分析及預報。并升級水庫工程運行管理，達到“規范”級。完善水庫大壩滲流反濾排水設施，對大壩進行加固處理，提高大壩壩體質量、穩定及抗震安全。