紫金縣中坑水庫大壩除險加固工程設計研究

張云輝

（河源市水利水電勘測設計院有限公司,廣東 河源 517000）

水庫是我國重要的水資源調節與利用工程,對保障人民生命財產安全和促進經濟社會發展具有重要作用,但是目前有大量水利工程由于建設年代久遠,出現了開裂、剝落等老化現象,導致水庫大壩存在一定的安全隱患[1]。中坑水庫大壩是一座重要的水利工程,其建造年代較早,隨著時間的推移,大壩存在的安全隱患日益增加,如今水庫已運行了60 多年,雖經過一次加固維修,但至今仍存在水庫大壩壩頂泥結石路面凹凸不平、壩面緣墻部分出現開裂、壩頂寬度不符合規范要求等。水庫一旦發生事故,將會對周邊居民、灌溉設施以及交通道路產生威脅,甚至會造成人員傷亡、基礎設施毀壞等,危害遠遠超過普通的堤壩潰壩事故。故水庫在防洪保安方面具有十分重要的作用,水庫的除險加固工程勢在必行。

1 工程概況

中坑水庫位于紫金縣義容鎮大新村境內,水系屬東江一級支流義容河支流黃洞水,距離義容鎮約6 km,距離紫金縣城約53 km。壩址以上集雨面積0.5 km2,總庫容20.4 萬m3,正常庫容15.77 萬m3,擔負著大新村450 畝農田灌溉用水的任務,捍衛下游耕地2000 畝,人口4000 人,是一座以灌溉為主,兼顧防洪的村管?。?）型水庫。水庫運行60 多年來,在防洪、灌溉、等方面發揮了很大的經濟效益和社會效益。

主壩為均質土壩,壩頂路面現狀為泥結石面寬3 m,最大壩高13.5 m,壩軸線長115 m,壩頂高程83.30 m,壩頂面部分長有較多雜草,水庫物業化管理中已除草。壩頂路面基本平整,為泥結石路面,局部凹凸不平,壩面緣墻局部砂漿壓頂脫落、老化；上游壩坡采用砼護坡,坡比為1∶2.5,護坡坡面完整；下游壩坡為植草護坡,坡比為1∶2.5,坡面完整,下游壩坡采用植草護坡,設有縱橫向砌石排水溝,結構完好,壩趾設貼坡反濾排水,排水體外坡比為1∶2.5。

2 大壩除險加固工程設計

2.1 壩頂高程確定

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》（SL 189-2013）,壩頂高程在按下式計算確定[2]：

式中：Y 為壩頂超高,m；e 為壅高,m；R 為設計波浪爬高,m；A 為安全加高,m,正常運用條件取A=0.5 m,非常運用條件取A=0.3 m。

當m=1.5~5.0 時,正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按下式計算：

式中：Rm為平均波浪爬高；m 為單坡的坡度系數；KΔ為斜坡的糙率滲透性系數；KW為經驗系數,與W/ gH 的大小有關,W 為風速,H 為壩前平均水深。

風浪壅高計算公式：

式中：K 為綜合摩阻系數,K=3.6×10-6；β為風向與壩軸線法線方向的夾角,β=0°；W 為水面上10 m 處的風速,m/s；D 為吹程,m；Hm為水域的平均水深,m。

壩頂所需最小高程計算見表1。

由計算結果看出,水庫壩頂所需最大高程由設計洪水位工況控制為83.24 m。經現場觀測,目前中坑水庫的大壩頂部高程83.30 m>82.24 m,比設計所需的壩頂高程大,因此目前壩頂高程符合設計要求。

2.2 壩頂寬度

壩頂寬度應根據構造、施工、運行和抗震等因素要求確定,可采用4 m~6 m。中坑水庫大壩壩頂路面現狀為泥結石面,寬度為3 m,不滿足規范要求,本次除險加固后壩頂寬度的確定,結合考慮投資及現場地形擬定為4 m。

2.3 壩頂構造

本次加固工程對壩頂進行硬底化,采用砼結構型式,加固后壩面寬4 m,主壩長115 m,副壩長66.7 m,面層為砼C30厚0.2 m、底層為碎石厚0.1 m、基層為壩體填筑土,間距5 m設置瀝青杉板伸縮縫止水。壩頂排水設縱、橫向側排水坡度2%,縱向將雨水沿壩軸線引入左右兩岸的下游坡,沿山邊墻豎向排水溝系統相連,橫向將壩頂雨水順利導入上游壩坡砼護坡面。

水庫大壩壩頂路面現狀為泥結石,面層為砂礫石,基層為壩體填筑土,考慮到現狀壩面局部較多草根,局部坑洼積水、凹凸不平,平整度較差,且副壩壩頂道路兼作防汛道路,為了大壩防汛車輛及平時通行安全,修復加固路面結構型式,選用水泥砼路面和瀝青路面進行方案比較見表2[3]。

表2 壩頂路面方案比選

由于水庫地處農村,周邊道路均為水泥砼道路,通過方案比選,水泥砼道路造價較低,因此本次加固壩頂道路采用水泥砼道路結構型式。壩頂路面寬4 m,主壩長115 m,副壩長66.7 m,面層為砼C30 厚0.2 m、底層為碎石厚0.1 m、基層為壩體填筑土,路面間距10 m 設置瀝青杉板伸縮縫止水。

2.4 壩體滲流穩定復核計算

大壩滲流計算應考慮水庫運行中出現各種不利情況,分析采用北京理正軟件設計研究所《理正巖土工程計算分析軟件6.0 版》的滲流分析計算軟件,采用滲流問題有限元由電腦分析計算,計算斷面選取大壩最大壩高斷面壩中處[4]。滲流穩定計算結果見表3。

表3 滲流穩定計算成果表

據巖土工程勘察報告,壩體主要為粉質粘土,壩體滲透變形主要為流土型式。根據地質資料,計算得知大壩填土為粘性土,孔隙率n=0.35,只發生流土型破壞根據《碾壓土石壩設計規范》（SL 274-2020）附錄C,壩體填土的臨界水力坡降參照以下公式確定：

式中：Gs為比重,γs=1.92 g/cm3；n 為孔隙率,填土n=0.35；J 為滲透坡降；KB為流土安全系數,取1.5。

計算得：J允許＝0.40 計算得以上三種情況下J正常=0.16,J設計=0.234,J校核=0.264,均小于J允許,所以,不會發生流土破壞。

根據滲流安全計算成果,加固后水庫主壩和副壩計算工況下的滲流坡降小于允許最大值,故不會產生滲流破壞；根據現場察看,主壩趾反濾排水設施外觀基本完好,壩坡排水設施較為完善；副壩下游壩未設置沿山排水溝,未設置排水反濾體,長期運轉對副壩滲流安全有一定影響,本次除險加固,新建副壩棱體排水反濾,完善后坡排水體系,不會產生滲流破壞。

2.5 加固后大壩穩定分析

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）,壩坡的穩定分析采用圓弧滑動條分法計算。圓弧滑動條分法計算簡圖見圖1,主要采用簡化畢肖普法,其穩定安全系數按下列公式計算[5]：

式中：K 為安全系數；W 為土條重量；V 為垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）；u 為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b 為土條寬度；c'、φ為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩；R 為圓弧半徑。

圖1 圓弧滑動條分法示意圖

根據上述計算工況、計算方法和參數,采用理正巖土計算6.5PB2 版對各種工況進行穩定分析,計算成果見表4。

表4 大壩抗滑穩定最小安全系數計算結果

計算結果表明：在正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位所產生的滲透作用下,庫岸后邊坡抗滑穩定性最大值都能夠滿足設計標準；而當大壩上部邊坡處最差水位處于恒定滲透狀態時,大壩上游邊坡處的最大抗滑失穩安全極限值仍然符合設計的規定。

3 結語

本工程通過對水庫大壩構筑物和運行等設施存在的問題針對性采取除險加固工程措施,完成水庫除險加固任務,消除水庫安全隱患,夯實水庫安全基礎,確保水庫運行安全和長期發揮效益,保障群眾生命財產安全。工程完建后,該方案在提高大壩安全性和穩定性的同時,也具備了實用性、經濟性和可行性,能保障當地生活生產,促進當地經濟社會發展,可為類似工程提供參考和借鑒。未來還應建立完善的大壩安全監測和管理機制,及時發現和解決大壩存在的安全問題,確保水利工程的安全運行。