紙坊溝水庫大壩安全綜合評價

李 鑫

(平涼市涇東水利水電勘測設計有限責任公司，甘肅 平涼 744000)

0 引言

對已建水庫定期開展水庫安全評價工作至關重要。目前我國存在37000余座病險水庫，其不僅不能發揮正常效益，還存在潰壩風險，嚴重危害社會公共安全與經濟持續發展[1]。及時掌握水庫安全狀況、根據安全評價結論采取相應的管理措施和除險加固方案，從而確保水庫壩體安全運行，對充分發揮水利基礎設施的工程效益具有顯著的促進作用。

1 水庫概況

紙坊溝水庫位于涇河南岸一級支流紙坊溝下游，屬紙坊溝梯級水庫群最末端，紙坊溝流域壩系分布圖見圖1。大壩為黃土碾壓均質壩，最大壩高29 m。是一座確保平涼市區防洪安全的小(1)型滯洪性水庫。下游保護平涼市崆峒區主城區人民群眾的生命財產安全。壩址以上控制流域面積18.03 km2，主溝道長14.87 km，溝道縱坡比降4.34%。水庫始建于1955年，后經歷兩次改擴建和一次除險加固后形成水庫現有規摸，水庫庫容為234萬m3，主要建筑物按4級設計，設計抗震設防烈度Ⅶ度。現狀水庫防洪標準為50年一遇洪水進行設計，500年一遇洪水進行校核。

圖1 紙坊溝流域壩系分布圖

2 安全評價

2.1 大壩工程質量評價

從壩體、壩殼、壩基及輸水建筑物對大壩工程質量予以評價。

2.1.1 壩體橫斷面結構

水庫攔水大壩為黃土碾壓均質壩，最大壩高29 m，壩頂長295 m，壩頂寬5 m。淤泥面以上上游壩坡坡比自上而下為1∶2.89、1∶3.28；下游壩坡坡比自上而下為1∶1.92、1∶2.42，上下游均采用草皮護坡，上下游變坡處均設馬道，馬道寬1 m。前后壩坡及壩頂在外觀上均無裂縫或滑動現象，壩坡基本完好。

2.1.2 壩殼質量評價

壩坡填筑土設計干容重1.6 t/m3、濕容重1.87 t/m3、含水率17%，要求土料級配均勻，大于5 mm粒徑含量不超過3%，壓縮系數小于0.025 cm2/kg，有機質含量小于3%，水溶鹽含量小于2%，滲透系數小于1×10-4m/s，土料的液限和塑限指標分別控制在30%和20%內；因此，壩體填筑質量可以滿足現行規范要求，工程質量評價為合格。

2.1.3 壩基工程質量評價

壩址處溝床呈“U”字型，溝床寬度30 m～133 m，為砂礫石沖積層。左岸溝床以上10 m高度范圍覆有1 m～3 m厚黃土，下為砂礫石沖積層，厚約6 m；右岸溝灘有一層5 m厚的紅土，溝岸以上5 m～25 m范圍內有第三紀紅粘土出露。壩址覆蓋層土質為輕粉質壤土及重粉質壤土，以重粉質壤土為主。壩址及兩岸未發現斷裂構造，區域水文地質條件簡單，為相對弱透水體，不存在繞滲問題。因此，工程質量符合現行規范要求，工程質量評價為合格。

2.1.4 輸水建筑物工程質量評價

現狀泄洪洞是1955年建造，2011年除險加固后的水庫泄水建筑物，位于大壩左壩肩，采用開敞式豎井泄洪洞進口，總長217.7 m，設計最大泄流量5.88 m3/s；引水土渠長273.3 m；經現場檢查和根據水庫管理人員確認，泄洪洞施工質量良好，砌筑質量合格。

2.2 防洪能力復核

紙坊溝水庫防洪標準及大壩防洪能力基本滿足規范要求，洪水基本可安全下泄，大壩防洪安全性評價為A。

2.2.1 防洪標準復核

水庫防洪標準為50年一遇洪水設計、500年一遇洪水校核，符合《防洪標準》(GB 50201-2014)有關規定，水庫防洪標準滿足規范的要求。

2.2.2 設計洪水復核

經洪水計算復核，水庫設計和校核洪水洪峰流量、洪水總量50年一遇區間洪峰流量50.30 m3/s、洪水總量33.28萬m3；500年一遇區間洪峰流量78.62 m3/s、洪水總量52.77萬m3。

2.2.3 庫容曲線復核

安全評價中在原庫容曲線的基礎上，對新的淤積高程和淤積庫容進行修正，修正點繪庫容曲線。認定淤積高程已達1398.42 m，淤積庫容128.11萬m3。

2.2.4 水位泄流曲線復核

經現場勘查和計算復核，泄洪洞易發生堵塞和淤積，造成泄流能力變小，溢洪道泄流能力基本正常。

2.2.5 調洪計算

紙坊溝水庫泄洪設計工況包括正常運行、非正常運行兩種條件。起調水位定為溢洪道底板高程為1401.30 m。紙坊溝水庫為保護下游城鎮安全，水庫最大允許下泄量不得超過25 m3/s，水庫調洪計算采用“單輔助線”法，對不同頻率洪水進行調節計算，求得最高洪水位和相應最大下泄流量。紙坊溝水庫調洪成果見圖2～圖5。

圖2 P=0.2%正常運行工況下調洪計算曲線

圖3 P=0.2%非正常運行工況下調洪計算曲線

圖4 P=2%時正常運行工況下調洪計算曲線

圖5 P=2%時非正常運行工況下調洪計算曲線

根據表1對紙坊溝水庫進行P=0.2%和P=2%洪水進行調洪演算成果，可知水庫現狀壩頂高程1407.20 m，原設計洪水位為1402.80 m，校核水位為1405.30 m，均與復核計算基本一致，無需調整。

表1 調洪計算成果對比表

2.2.6 壩頂高程復核

經復核計算壩頂高程為1406.47 m，現狀壩頂高程為1407.20 m，高于計算壩頂0.73 m，現狀壩頂高程滿足規范要求。

2.3 大壩滲流安全評價

大壩滲流由壩體滲透和壩肩繞滲兩部分組成，其中壩肩滲漏通過采取工程措施后，一般不會對大壩造成滲流穩定破壞，壩體滲流穩定分析僅選取典型橫剖面，確定壩體浸潤線的位置，了解壩內滲流形態，確定壩體和壩基的滲流量，評價壩體是否會產生滲透破壞。

2.3.1 計算方法

按不透水地基帶鋪蓋下游無排水設備的均質土壩計算。計算公式如下：

上游段：

(1)

中間段：

(2)

下游段：

(3)

2.3.2 計算結果

計算得到壩體和壩基處的平均水力坡降，計算結果見表2。

表2 滲透坡降計算成果表

可知紙坊溝水庫在遭遇50 a一遇洪水及500 a一遇洪水時，壩體和壩基的滲透坡降J均小于允許水力坡降[Jk]。

2.3.3 評價結論

經現場觀察和水庫管理人員長期觀測分析，紙坊溝水庫大壩壩體及壩基滲透坡降均小于允許水力比降，壩體及壩基滲透是穩定的，均不存在滲透破壞問題。根據現場勘查和實驗檢測，未發現存在嚴重滲漏問題。結合分析，壩體滲流評價為A級。

2.4 大壩結構安全評價

土壩穩定分析的計算目的是復核土壩在自重、滲透壓力、孔隙壓力和其他外荷載的作用下，具有足夠的穩定性，不致發生通過壩體或壩基的整體或局部剪切破壞。

經現場檢查和穩定分析復核計算，水庫大壩上、下游壩坡壩坡抗滑穩定性滿足規范要求；溢洪道外觀存在少量淺層裂縫，且存在較多淤泥，生物侵害嚴重；引水渠左側導流墻損壞，溢洪道進口引渠襯砌右岸頂部土質邊坡存在坍塌隱患；泄洪洞豎井處淤積面高程已超過泄洪洞豎井進口高程。洪水來臨易坍塌而造成淤堵，進口段底板磨損，砂漿剝落，出口洞簾左側側墻有一45°斜向裂縫，消力池兩側側墻均向渠內傾斜，有倒塌危險。綜合分析，大壩結構安全評價為C級。

2.5 大壩抗震安全評價

控制大壩穩定的有施工期、穩定滲流期、水庫水位降落期和正常運用遇地震四種工況，穩定系數計算見表3。

表3 壩坡穩定抗震計算成果表

從大壩抗震穩定計算成果可得出：壩體穩定復核計算壩體上、下游壩坡在設計水位遇地震時，壩體的最小穩定安全系數均大于規范規定的允許安全系數，壩體抗震滿足要求。綜合分析，大壩抗震安全評價為A級。

2.6 金屬結構安全評價

紙坊溝水庫現狀金屬結構設備有：溢洪道平板鑄鋼工作閘門2扇，配備型號為LQ-500-S/D型啟閉機兩臺、P×B-1型保安配電柜及TF14-P型動力配電柜各一面。

2.6.1 鋼閘門安全評價

(1)溢洪道金屬結構布置、設計基本合理。工作閘門及其啟閉設備均為合格產品。安裝后的閘門基本能順利運行；

(2)溢洪道工作閘門門體輕微銹蝕，二號閘門啟閉時與閘槽上游混凝土水平拉梁相互摩擦，影響閘門垂直啟閉。門槽內存在垃圾存在泥沙淤積和垃圾卡阻現象。

2.6.2 電氣設備安全評價

紙坊溝水庫T接10kV-121平峽線二溝村分支供電線路，由于壩址區用電負荷較小，壩址區供電滿足二級負荷供電系統設置要求。依據溢洪道閘門啟閉運行工況配備型號為LQ-500-S/D型啟閉機兩臺、P×B-1型保安配電柜及TF14-P型動力配電柜各一面均正常運行，滿足閘門啟閉的供電及現場手動控制要求，現場測試閘門啟閉正常運行。

2.6.3 評價結論

紙坊溝水庫金屬結構設備備用電源不具備緊急切換條件，溢洪道二號閘門啟閉時與閘槽上游混凝土水平拉梁相互摩擦，影響閘門垂直啟閉；工作閘門門體輕微銹蝕、閘槽存在泥沙淤積和垃圾卡阻現象。因此，水庫金屬結構安全評價為B級。

3 結論

根據評價內容，紙坊溝水庫工程質量評價為合格，防洪能力復核為A級，滲流安全評價為A級，結構安全評價為C級，抗震安全評價為A級，金屬結構安全評價為B級。綜合各項安全評價結論，紙坊溝水庫大壩安全綜合評價為三類壩，屬病險庫。

依據安全評價結論，應及時制定除險加固方案，著重解決壩體結構安全，優化安全監測系統，加強科學監測，確保樞紐工程運行安全。