香元安水庫防洪及大壩滲流安全復核

田 剛

(安徽省合肥市安徽巢湖經濟開發區半湯街道辦事處，安徽 巢湖 238000)

1 引言

水庫安全對下游居民的生產生活具有極大的影響，早期修建的水庫受限于當時的經濟、技術水平，工程建設質量較差，有較多的水庫已經出現了不同程度的險情[1-2]。水庫一般承擔著防洪作用，防洪復核是水庫安全復核的重要內容，同時，大壩滲流及壩坡穩定性也是影響水庫安全的重要因素[3-6]。目前，在大壩滲流及壩坡穩定性研究中通常采用數值模擬方法，具有模型建立簡單、計算速度快等優勢[7-8]。結合香元安水庫，通過收集水文資料，建立數值模擬模型，分析計算大壩安全情況，為大壩除險加固工程提供參考。

2 工程概況

香元安水庫位于巢湖市東北部安徽巢湖經濟開發區湯山腳下，庫區坐落于半湯辦事處的湯卞山行政村，西北部為山區，屬長江流域裕溪河水系，壩址以上為淺山區，來水面積3.15 km2，河道平均坡度約為20.93‰。流域內最高點高程為374.6 m，分水嶺高程在44.6 m～374.6 m。香元安水庫為小(1)型水庫，工程等級為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，根據規范要求，本次洪水復核仍采用原設計防洪標準，即30年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。

3 防洪能力復核

3.1 調洪演算

3.1.1 水庫高程-面積-容積關系曲線

根據《安徽巢湖經濟開發區香元安水庫除險加固工程初步設計報告》，采用本次計算的水庫高程-面積-容積關系曲線，見表2。

表1香元安水庫各重現期設計洪水計算成果

圖1 香元安水庫30年、500年重現期設計洪水過程線

表2 香元安水庫水位-面積-容積關系表

3.1.2 泄洪建筑物水位-泄量關系曲線

香元安水庫的泄洪設施有放水涵洞和溢洪道兩座泄洪建筑物，水庫放水涵洞主要作為灌溉放水，不參與水庫的泄洪，不考慮其泄洪作用；溢洪道按寬頂堰流量公式計算：

(1)

式中：σs淹沒系數；ξ側收縮系數；m流量系數；B溢洪道寬；H0堰上水頭。

溢洪道位于大壩南端，為無坎寬頂堰，砼結構。堰頂高程30.1 m，堰寬12 m。溢洪道水位-泄量關系見表3。

表3 香元安水庫水位-泄量關系曲線表

3.1.3 水庫的防洪要求及調度運用方式

香元安水庫的開發任務以灌溉為主，水庫一座泄水涵洞主要作用為灌溉放水，不參與水庫的泄洪。溢洪道為開敞式泄洪建筑物，香元安水庫的調度運用方式為：當水庫水位達到正常蓄水位時30.1 m時，溢洪道自行泄洪，以確保水庫大壩安全。

3.1.4 調洪計算成果

根據上述擬定的調洪演算原則，及本次復核的水庫水位～庫容～泄量關系曲線和設計洪水成果進行水庫調洪演算，成果見表4。其中30 a一遇最高洪水位31.16 m，500 a一遇最高洪水位31.96 m。

表4 香元安水庫調洪演算成果

3.2 大壩及溢洪道抗洪能力復核

3.2.1 大壩抗洪能力復核

壩頂超高按下式計算

Y=R+e+A

(2)

式中：Y為堤頂超高，m；R為設計波浪爬高，m；e為設計風壅增水高度，m；A為安全加高，m。

壩頂高程應分別按以下情況進行計算，取其最大值。

1)正常蓄水位或設計洪水位加正常運用條件的壩頂超高；

2)校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；

3)正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高，再加地震安全加高。

各段安全超高計算結果見表5。

表5 壩頂高程復核成果表 單位：m

由表5可以看出，壩頂高程應取500 a一遇校核洪水運用情況計算的壩頂高程，即32.65 m，現狀實測壩頂高程32.70 m，高于計算值0.05 m；黏土斜墻頂高程為32.65 m，高于設計洪水位1.49 m，同時高于校核洪水位，故壩頂高程滿足要求。

3.2.2 溢洪道泄洪能力復核

香元安水庫設計下泄流量為20.5 m3/s(P=3.33%)，校核下泄流量為47.4 m3/s(P=0.2%)。溢洪道位于大壩左壩肩，由進口段、控制段、泄槽、跌水及消能設施、出水渠及兩側邊墻組成。現狀導流及消能設施完善，泄洪對大壩及下游河道無不利影響，可安全泄洪。

4 大壩滲流及安全復核

4.1 大壩滲流復核

計算所采用的各土層土力學參數見表6。

表6 各土層土力學參數表

采用二維滲流有限元法進行滲流計算分析，其計算程序采用河海大學研制的計算程序AutoBank7.7，本程序可用于穩定滲流和非穩定滲流分析，并能適用于均質壩、斜墻壩以及不同排水形式的變化。

(a)工況一

(b)工況二

(c)工況三

(d)工況四

根據壩體內浸潤線位置(圖2)，工況一、二、三穩定滲流時壩體的滲透坡降J分別為0.334、0.315、0.346，工況四非穩定滲流時壩體的滲透坡降J為0.298。根據土工試驗提供的大壩土料的物理性能試驗成果，按《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50287-2008)推薦的允許滲透坡降[J]為0.60。滲透坡降計算值小于允許值，滿足規范要求。

4.2 壩坡安全復核

4.2.1 大壩變形分析

1)大壩變形分析

大壩未設置變形觀測設施。現場實際測量與原加固設計報告比較復核，壩體現狀處于穩定狀態，下游壩坡未見明顯沉降變形、壩頂未見明顯水平變形。

2)大壩變形評價

香元安水庫大壩變形分析評價結論如下：(1)大壩總體變形性狀及壩體沉降基本穩定。(2)大壩變形監測資料缺失。

4.2.2 壩坡安全復核

土石壩的穩定計算應考慮的工況、水位組合及計算部位見表7。

表7 壩坡安全計算工況

表8 壩坡穩定計算成果表

由表7可以看出，各工況條件下上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

(a)施工期上游壩坡

(b)施工期下游壩坡

(c)穩定滲流期下游壩坡

(d)水位降落期上游壩坡

(f)正常運用+地震工況下游壩坡

5 結論

(1)通過收集大壩水文參數，復核香元安水庫防洪能力，結果表明大壩壩高及溢洪道泄洪能力滿足現狀泄洪需求。

(2)通過二維有限元數值模擬分析結果可知：工況一、二、三穩定滲流時壩體的滲透坡降J分別為0.334、0.315、0.346，工況四非穩定滲流時壩體的滲透坡降J為0.298，滿足滲透坡降要求。

(3)通過復核在不同工況下水庫大壩上、下游壩坡安全均滿足規范要求。香元安水庫大壩防洪能力、防滲情況以及壩坡安全情況較好，水庫大壩處于較安全情況。