黃沙水庫安全鑒定中大壩結構復核分析

李虎強

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518000)

1 工程概況

黃沙水庫壩址位于惠州市仲愷高新區潼湖水的上游，是一座以防洪、灌溉、供水和發電功能為主的中型水庫，其總庫容為2020.32萬m3，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時性建筑物為5級。設計洪水采用50a一遇洪水標準，校核洪水采用1000a一遇洪水標準[1]?，F狀黃沙水庫的主要建筑物有主壩一座、副壩一座、溢洪道一座、輸水涵管一座以及壩后電站一座。

該水庫于1958年8月動工興建，1964年5月竣工并投入運行。水庫建成以來，1999年9月首次對壩體進行了安全鑒定，并發現大壩壩基存在滲漏隱患。針對此狀況，2009年對水庫進行了除險加固，主要加固內容包括：主壩壩體劈裂灌漿、壩基定噴灌漿、壩頂加寬、壩體培厚，以及上、下游壩坡加固整治、修建排水設施等。加固后效果良好，但受當時資金和技術條件的限制，大壩的結構穩定一直是水庫管理部門重點關注的問題。時隔多年，為進一步摸清水庫大壩的安全狀況，保證大壩的穩定運行，需對水庫大壩進行一次全面的安全評價[2-5]。進行安全鑒定時，重點對水庫及其主要建筑物現狀存在的問題進行系統梳理，并進行大壩滲流及邊坡穩定計算分析，為大壩的除險加固提供基礎資料，并提出針對性的解決措施[6]。

2 大壩現狀及工程地質條件

2.1 大壩現狀為分析

鑒定重點為主壩結構安全分析，主壩上游壩坡為混凝土面板護坡，在高程33.24m處設3m寬馬道。馬道以上坡面坡比為1∶2.75，以下為1∶3。通過現場技術勘察，重點對壩體有無裂縫、異常變形、滲漏、塌陷及動物危害現象進行檢查，以及檢查壩基和壩區的滲漏、變形情況[7]。

經檢查發現：①混凝土面板局部有裂縫，分縫內有雜草；②近壩水面無冒泡、變渾、漩渦等異?，F象；③壩頂寬5.1m，壩頂路面為瀝青路面，存在因車輛荷載和溫度變化引起的表層裂縫。上游側設混凝土防浪墻，其結構整體性較好，局部存在裂縫；④下游壩坡坡面整體較平整，未見滑動、隆起、塌坑、雨淋溝、散浸等異常變形或破壞；⑤下游壩腳設棱體排水，塊石表面平整，無沉降、滑動和隆起等異常現象。坡面排水系統較完善，為矩形混凝土排水溝，局部出現裂縫和破損；⑥下游壩腳中間部位設量水堰，水體呈銹紅色，其原因為：堰前長年積水，其深層水體不能流動，水體中滲入較多量水堰鋼板銹蝕后的殘渣引起；⑦滲流及滲漏量監測設施布置于主壩，共設4個測壓管斷面，排水棱體外坡側有排水溝，匯集壩體滲水后經布設的量水堰排出(量水堰后接DN1000預制混凝土管將水排至下游河道)。量水堰的堰上水頭與庫水位變化相關，且壩體滲水量有逐年增加的趨勢；⑧輸水涵位于主壩右壩段，主要由進水段(閘室段)、涵洞段、出口段組成，閘室段采用塔式進水口，材質為鋼筋混凝土結構。

圖1 主壩上游坡裂縫及縫隙雜草 圖2 水庫主壩下游坡現狀

2.2 工程地質條件分析

黃沙水庫工程區內未見大的、區域性的構造存在，所在區域地震活動頻率小、強度低，根據《廣東省地震烈度區劃圖》劃分，工程區地震烈度為Ⅵ度。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)，本場地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，特征周期Tg為0.35s。區域內未發現晚更新以來的斷層或晚更新世以來的階地、夷平面發生錯位的現象，可認為其區域構造穩定性較好。

據鉆探揭露，主壩壩基巖性較復雜，主要由第四系沖洪積層、殘積層，基巖風化帶組成。壩基沖積層質量差，穩定性一般，壩基殘積層除在壩肩與壩體直接接觸外，其余均隱伏于沖積層之下，其頂部受沖積含水層影響，滲透性亦較強，其承載力可滿足工程要求。壩基基巖風化帶是壩體良好的持力層，但強風化帶節理裂隙發育，是地下水滲漏的良好通道，且存在滲透各向異性。主壩壩基整體評價其穩定性一般。

3 大壩結構安全復核分析

3.1 大壩滲流穩定復核分析

1)計算方法及地質參數：

結合地質勘察成果，壩體滲流穩定復核分析采用Auobank7.07滲流軟件進行計算。計算斷面選取主壩壩體實測最大斷面(如圖3)，計算參數選用地質勘察報告提供的成果，各土層物理力學指標如表1。由于2009年安全加固時，分別對壩體、壩基采用了劈裂灌漿和高壓定噴灌漿進行處理，滲流穩定計算應分別考慮。根據相關設計圖紙，高壓定噴灌漿頂高程為23.34m，由量水堰實測數據分析知相近水位下2018年后的實測滲水量相比往年增大。由于2018年時壩體劈裂灌漿已運行近10年，參考相似工程經驗可知劈裂灌漿的防滲效果已減弱，為得到偏安全的計算結果，故本計算不考慮壩體劈裂灌漿的作用，僅考慮壩基定噴灌漿的作用。

圖3 主壩計算斷面

2)計算工況選擇：

通過總結以往工程經驗，大壩滲流穩定計算時假設各種工況下能形成穩定滲流，各工況如下：①上游正常蓄水位(32.74m)，下游無水時壩體的滲流穩定情況；②上游設計洪水位(39.17m)，下游無水時壩體的滲流穩定情況；③上游校核洪水位(39.61m)，下游無水時壩體的滲流穩定情況；④庫水位從校核洪水位(39.61m)驟降至正常蓄水位(32.74m)時，下游無水時壩體的滲流穩定情況。

3)計算結果分析：

在以上各工況下，通過計算得到滲流穩定計算結果如表2，壩體浸潤線計算結果如圖4。由計算結果知：①在能形成滲流場的情況下，浸潤線遵循隨庫水位上漲而提高、隨庫水位跌落而下降的規律，浸潤線的趨勢與實際測壓管監測數據總體一致，表明壩體排水總體通暢，計算結果合理；②隨上游蓄水位抬高，壩體總滲流量隨之增大，最大值約6.279L/s，與量水堰逐年實測成果基本趨近，大壩滲流量變化規律正常；③主壩在各工況下隨水位升高，滲透比降逐漸增大，壩體滲流最大出逸比降為0.461，小于其允許滲透坡降0.47，下游壩基滲流穩定，不會發生滲透破壞。

表2 主壩滲流穩定計算成果表

(a) 主壩正常蓄水位(37.24m)工況下計算浸潤線

(b)主壩設計洪水位(39.17m)工況下計算浸潤線

(c) 主壩校核洪水位(39.61m)工況下計算浸潤線

(d)主壩校核洪水位降落至正常蓄水位工況下計算浸潤線

2009年除險加固以來，水庫運行過程中未發現異常滲流現象，上述計算結果亦未顯示滲流異常。但查閱水庫的2018-2020年的滲流量監測數據，顯示主壩的滲流量有逐年增加的趨勢。建議盡快修復或重建大壩滲流壓力監測設施，后期結合滲流壓力、量水堰監測數據實時分析滲流動態，及時了解大壩安全性能。綜上所述，黃沙水庫大壩滲流安全性評為“B級”。

3.2 大壩邊坡穩定復核分析

1)計算方法及工況選擇：

大壩邊坡穩定計算按《水庫大壩安全評價導則》(SL258-2017)和《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)有關規定執行。采用Autobank7.07穩定分析軟件作邊坡穩定分析計算，計算采用計及條塊間作用力的簡化Bishop法求壩坡抗滑穩定最小安全系數[8-13]。壩坡抗滑穩定計算采用滲流安全評價中計算浸潤線的結果作為滲流邊界條件。計算所用地質參數見前述表1，工況選擇詳見表3。

表3 主壩邊坡穩定計算成果表

2)計算結果分析：

軟件進行壩體穩定計算時，采用自動搜索最危險滑裂面的方式。經計算，壩體抗滑穩定最小安全系數見表3，穩定計算簡圖見圖5。根據計算結果可知：①正常運用工況下，主壩的上、下游壩坡最小抗滑穩定安全系數分別為1.870、1.305，滿足《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)中≥1.30的要求；②非常運用工況下，主壩上游壩坡最小抗滑穩定安全系數為2.317，滿足規范≥1.20的要求；③結合計算結果及實測變形、沉降資料，主壩無異常位移、變形，大壩沉降已趨于穩定。

(a)1/3壩高水位(H=28.5m)工況下抗滑穩定計算

(b)正常蓄水位工況下抗滑穩定計算

(c)設計洪水位工況下抗滑穩定計算

(d)校核洪水位驟降至正常蓄水位工況下抗滑穩定計算

經復核，黃沙水庫主壩的邊坡整體穩定滿足相關規范要求，但現場檢查發現輸水涵閘室段內壁混凝土局部破損，閘室和涵管結合部位的分縫處漏水，啟閉塔的排架柱因受沖刷而有少量砂漿脫落，且啟閉塔工作橋局部露筋，影響其結構的耐久性。由于輸水涵存在一定的強度不足但不嚴重影響工程安全，故大壩結構安全性評為“B級”。

4 大壩除險加固設計

通過對大壩進行安全鑒定，大壩結構無明顯位移和變形，滲流穩定分析計算顯示大壩最大滲透坡降小于允許滲透坡降，且不同蓄水位下的總滲流量與實際量水堰監測數據較趨近；邊坡穩定分析計算顯示大壩上、下游邊坡抗滑穩定滿足規范要求，周邊岸坡較穩定，不會危及大壩安全。因此，本次大壩除險加固可僅針對影響大壩安全和發揮效益的主要建筑物進行改造，具體方案如下：①大壩迎水面、壩頂公路、防浪墻存在局部裂縫，但不影響壩體整體穩定及運行安全，可分別實施修復，縫隙中的雜草可由水庫管理部門加強日常清除；②主壩壩體滲水量有逐年增加的趨勢，建議盡快修復或重建大壩滲流壓力監測設施，通過結合滲流壓力、量水堰監測數據的實時動態分析，及時了解大壩安全性能，必要時采取相應工程措施；③及時處理輸水涵閘門、閘室和涵管結合部位的分縫處漏水問題，對閘室段、啟閉塔混凝土破損部位及時進行修復，并更換止水設施和啟閉機螺桿。

5 結 語

文章結合實際監測數據、地質資料和大壩結構安全復核分析，對黃沙水庫大壩工程的滲流穩定和邊坡穩定進行了綜合的定量、定性分析，計算結果滿足相關規范要求，表明壩體整體結構偏于安全?，F場檢查發現的壩面裂隙、雜草叢生、混凝土破損等現象，均在一定程度上影響了大壩的結構安全、運行穩定和外觀質量。通過后期實施修復方案并更換設備，同時加強滲流系統監測，可保證大壩效益的正常、可靠發揮。