水庫大壩安全水平評價及加固路徑設計研究

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：李伶俐（1984—），女，湖北天門人，高級工程師，研究方向為水利水電工程。

摘 要：水庫大壩的安全與否不僅決定著水庫能否繼續發揮設計功能，還影響著水庫的安全性和穩定性。水庫經過長時間使用后，可能會由于風化、滲透破壞導致水庫的穩定性下降，如果不及時進行加固，一旦出現潰壩等問題將嚴重威脅周邊居民的生命財產安全。針對樂山坡水庫大壩的安全情況開展研究，使用滲流理論、有限元分析、畢肖普法對大壩的滲流狀況、穩定性進行了分析，確定大壩在2009年加固后依然存在一定缺陷，并提出了大壩的加固思路，以期幫助技術人員合理進行大壩安全性評價、加固設計。

關鍵詞：水庫大壩；安全評級；加固設計

中圖分類號：TV698.1 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

水庫大壩是水庫的重要組成部分，多數大壩都采用就地取材、就近取材的建設模式，能夠快速滿足大壩的建設要求，且可以控制建設成本[1-2]。為滿足農業生產、水位調控的需求，過去幾十年中，我國在不同地區進行了大量的水庫工程建設，并在2000年以后開展了對大壩安全的評價工作，針對存在的安全風險、隱患開展了調控工作。

然而，隨著近年來的氣候變化，部分大壩逐漸老化，開始出現抗滑能力不足等問題[3-4]。因此，相關部門應使用有限元分析、滲流理論等方法，進行水庫水壩的安全開展評級工作，確定水庫的安全等級，并根據水庫的安全情況進行加固設計，提升水庫的安全性[5]。以樂山水庫為例，分析上述工作的意義。

1 工程概況

樂山水庫大壩水庫承雨面積為24 km2，總庫容為

1 518萬m3，水庫主要用于灌溉，并具備攔截漢江水系支流來水、水產養殖等功能。水庫建設于1972年10月，在1973年5月投入運行。2007年對水庫大壩進行安全鑒定后，工作人員對水庫進行了除險加固工作，經過除險加固后，水庫的蓄水位為75.20 m，壩頂高程為78.13 m，總庫容1 668萬m3。

1.1 大壩結構

水庫大壩為均質黏土壩，壩頂高程為78.13 m，防浪墻高程為79.32 m，壩體全長900 m，寬度5.6 m。大壩上游壩坡在高程67.70 m位置設置了一處平臺，平臺寬度為1.5 m，平臺以上坡比為1∶2.75，平臺以下坡比為1∶3.25。下游壩面設置了草皮護坡以及橫向、縱向排水溝等。

1.2 溢洪道

大壩的溢洪道位于大壩右端，總長508 m，進口開挖后和水庫相連，進口的寬度為30 m，進口段順著溢洪道軸線方向延伸54 m，并設置了石方，保證水流能夠更通暢地進入溢洪道。

1.3 輸水管

水庫設置了兩處輸水管，北側輸水管位于大壩右壩位置。此外還有閘室、豎井、啟閉臺、管道以及出口消力池，閘室的高程為69.20 m，管道長度為28.10 m。相關部門 在進水口設置了一扇工作閘門，并配置了螺桿啟閉機控制閘門啟閉。

1.4 水庫安全問題

水庫于2009年后進行了一次加固，目前又出現了新問題。水庫的上游坡表面水泥存在嚴重的風化問題，強度明顯下降；經過多年沖刷后，防浪墻存在比較嚴重的局部破損露筋問題，且有較多裂縫，伸縮縫位置的泡沫板也存在較為嚴重的老化問題；大壩的下游坡踏步損壞較為嚴重，部分位置有白蟻危害；溢洪道的控制段混凝土磨損問題較為嚴重，存在凹凸不平的問題。

2 水庫大壩安全水平評價檢查項目

根據樂山水庫大壩的特點，對大壩的安全檢查主要包括以下4項內容。

2.1 擋水壩

檢查壩體是否存在裂縫、滑坡、滲漏、隆起、塌坑；查看擋水壩的防浪墻、護坡、排水設施狀況是否良好；檢查壩體和兩岸的接觸情況；查看下游壩坡、坡腳是否存在滲漏，是否有白蟻。

2.2 溢洪道

檢查溢洪道混凝土是否存在裂縫、變形、露筋等問題；查看閘閥操作和控制是否正常。

2.3 輸水管道

檢查引水段是否存在堵塞、淤積、崩塌等問題；查看進水口邊坡、坡面位置是否出現了新裂縫，是否存在塌滑的情況；檢查排水口是否正常。

2.4 監測設施

檢查監測設備的監測精度，查看監測項目是否全面；檢查工作人員日常工作的執行情況等。

3 大壩滲流

3.1 斷面參數

根據2009年加固工程的竣工資料，選擇最能反映大壩特點的K0+090、K0+242、K0+350斷面進行計算，得到大壩各分區土層滲透系數（表1）。

3.2 計算方法

使用AutoBank 7.07軟件，采用有限元分析法對壩體滲流穩定性進行計算，獲得不同水位下的浸潤線、流網、滲流量。有限元分析法會使用基本微分方程、邊界轉換分析極值問題，將研究區域分為適合求解的小區塊單元，在單元內部建立局部方程，然后根據節點的關系進行整體求解。

3.3 計算工況

根據不同的特征水位和特征標高選擇大壩上游水位、下游邊界水位，包括0+090段、0+242段，校核水位為77.29 m、設計洪水位為76.55 m、正常高水位為75.20 m。計算時，假設上游在降雨，水庫的水位高于汛期水位，溢洪道處于自由泄洪狀態，而且當時南北輸水管道不參與泄洪，可以獲得水庫校核水位回落到正常水位的降落曲線。對于無降雨的情形，南北閘門全開，以最大泄流量從正常蓄水位向下游泄水，可以獲得正常蓄水位到死水位的降落曲線（圖1）。

3.4 計算結果

經過滲流計算分析，大壩壩體的滲流系數較大，壩體的浸潤線從下游壩坡溢出，出逸點高于下游壩腳高程，但是該位置缺少必要的反濾設施。在0+090斷面位置，大壩斷面滲透坡降高于最大允許值0.49，因此壩體存在滲漏隱患的風險；其余位置滲透率迫降都較小，滲透破壞的可能性比較低。在樁號0+242段的高水位工況下，壩腳有30 m寬的散浸段，在大壩的右側還存在繞壩滲漏問題，導致大壩存在流態不安全的情況。

4 大壩穩定性

4.1 計算參數

通過對本地開展勘察，獲得有關材料物理性質指標和力學參數（表2）。

4.2 計算工況

結合樂山水庫的運行狀況，取水庫1/3壩高為上游壩坡的最不利水位。在正常工況下，設計洪水位76.55 m

形成穩定滲流為下游壩體穩定；正常高水位75.20 m

下形成的穩定滲流為下游壩坡穩定；在壩高1/3的位置，形成穩定滲流時，為上游邊坡穩定；非常規情況下，洪水位77.29 m下形成穩定滲流時，為下游壩坡穩定。

4.3 計算方法

使用AutoBank 7.07軟件中的畢肖普法進行大壩邊坡穩定性的計算，計算公式為：

K=

式中，K是安全系數；W是土條重量；Q和V分別是水平和垂直地震力；u是孔隙水壓力；α是重力線和條塊地面重點半徑的夾角；b是土條寬度。

根據要求土石壩采用畢肖普法進行計算時，壩坡穩定最小安全系數必須控制在1.3以上；在校核水位下運行時，壩坡穩定最小安全系數必須在1.2以上。在進行上游水位非常降落運行條件分析時，要使用較小安全系數作為評價結果。

4.4 計算結果

通過計算邊坡穩定性，可知上游1/3壩高水位、校核洪水位降落到正常水位、正常水位降落到死水位的工況下的抗滑安全穩定性都能滿足規范要求。但是在斷面0+090下游坡在洪水位工況（圖2）安全系數為1.250，0+242下游坡正常蓄水位工況、設計洪水位工況下（圖3）的安全系數分別為1.268和1.234，因此其抗滑穩定性并不能滿足要求。

5 樂山水庫加固設計分析

5.1 大壩安全評價結果

經過反復計算，確定大壩的抗滑穩定性不滿足要求。上游坡為干砌石護坡，在之前的除險加固中處理過于簡單，導致表面存在水泥漿、勾縫等問題，風化問題也比較嚴重，整體強度較低，并不能滿足厚度要求。大壩的迎水面為混凝土邊坡，相對比較完整，并沒有破損問題。

5.2 上次除險加固工作情況

樂山水庫大壩在2009年進行了一次除險加固工作，完成了大壩上游壩坡的整治、護坡腳槽、路緣石、防浪墻、下游壩坡的加固，但是由于資金問題，溢洪道尾水渠的有300 m沒有襯砌，

5.3 本次除險加固設計

為了提升壩體的抗滑穩定性，需要拆除重建上游干砌護石，對防浪墻局部進行維修；大壩下游壩腳的魚塘不滿足安全要求，需要開展對魚塘的回填工作；大壩有滲流問題，應進行大壩整體的防滲處理；防治大壩的白蟻問題。

6 結束語

水庫經過長時間運行后，大壩容易出現滲漏情況，穩定性會受到比較大的影響。樂山坡水庫雖然在2009年進行過一次修復加強，但依然存在一定的問題。相關部門需要采取措施予以控制。通過對水庫進行滲流、穩定性的計算，可以比較清晰地確定水庫的狀況，同時分析過程中需要注意不同工況下水庫的狀況，并針對性采取加固措施，保證水庫的使用壽命。

參考文獻

[1] 宋彥伸.連云港市小型水庫除險加固方案比選與分析[D].揚州：揚州大學，2021.

[2] 依茹罕.基于規范法與層次分析法的大壩安全綜合評價[D].大連：遼寧師范大學，2021.

[3] 杜修娟.土石壩安全風險評價方法及其應用研究[D].成都：西華大學，2018.

[4] 鄭小武.土石壩的安全風險評估研究[D].合肥：合肥工業大學，2015.

[5] 曾楚武.水庫大壩安全評價及病險土石壩治理對策研究[D].廣州：華南理工大學，2011.