龍九水庫大壩加固方案及復核計算分析

雷 剛

（贛州市天鷹水利水電規劃設計有限公司，江西 贛州 341000）

水庫安全關乎人民群眾生命財產安全，推進病險水庫除險加固是保障水庫長效安全穩定運行的重要舉措[1]。我國現有9.8 萬座水庫，約95%為小型水庫。我國病險水庫多，雖然已經開展幾輪大規模除險加固工作，但目前仍有大量病險水庫存在[2]。我國土石壩多、老舊壩多，約92%的水庫大壩是土石壩，約80%建于20世紀50—70年代，始建標準低。水庫總體數量多、病險水庫多、土石壩和老舊壩多，加上近年來超強暴雨等極端天氣頻發，水庫安全風險形勢嚴峻，病險水庫除險加固工作迫在眉睫[3，4]。水利部聯合相關部門印發《“十四五”水庫除險加固實施方案》，明確了“十四五”期間病險水庫除險加固、監測預警設施建設、以縣域為單元深化小型水庫管理體制改革、健全長效運行管護機制等重點任務，計劃全部完成現有及新增約1.94萬座病險水庫除險加固，實施小型水庫雨水情測報設施和小型水庫大壩安全監測設施建設，對分散管理的小型水庫全面實行專業化管護模式，推進水庫管理規范化、標準化[5，6]。

近年來，江西省通過集中開展病險水庫除險加固建設和輪序開展大壩安全鑒定，水庫大壩安全管理取得明顯成效，水庫安全狀況不斷改善[7]。由于人工觀測存在局限性，大壩安全風險依然存在，加快推進小型水庫雨水情測報和大壩除險加固工作，是確保水庫安全長效運行，充分發揮水庫防洪減災、供水保障和農業灌溉效益的重要舉措[8]。結合水庫壩型、規模、壩高、壩長、下游影響等，依據有關技術規范與標準，合理設置監測設施和開展除險加固項目建設[9]。水庫除險加固，可以有效消除安全隱患，極大改善調洪蓄水能力，為防洪抗旱減災發揮巨大作用[10-12]。

1 工程概況

1.1 基本情況

龍九水庫位于江西省龍南縣九連山林場，地處東經114°25'30″、北緯24°33'35″，坐落于桃江一級支流小溪水上游。樞紐建筑物主要由大壩、發電引水隧洞、電站廠房等組成，大壩壩型為漿砌石壩。水庫總庫容513萬m3，設計灌溉面積27 hm2，電站裝機4×630 kW，是一座以灌溉為主兼顧發電的?。?）型水庫。因工程建設多年，在運行中暴露出的安全隱患較多，蓄水量逐年減少，已不能滿足工業、農業和生態用水需求，在一定程度上影響了當地經濟社會發展，被鑒定為“三類壩”即病險水庫。

1.2 大壩加固的必要性

龍九水庫于2005年12月動工興建，2009年3月建成，同年4月開始蓄水。由于施工等多種原因，大壩存在一定的質量安全隱患，甚至危及大壩安全，嚴重影響應有效益的正常發揮。經安全鑒定查出水庫存在諸多安全問題，需對大壩等建筑物進行徹底加固處理，從根本上解決工程存在的安全隱患，使水庫能夠安全運行并獲得最大的經濟效益。地勘資料及現場情況反映出大壩壩基存在局部滲漏現象，為提高大壩的防滲性能，對大壩結構進行穩定計算，結果顯示，大壩在校核洪水位工況下，抗滑穩定安全系數小于規范要求最小值，大壩結構尚不夠穩定。由于工程地理位置重要，一旦失事，將給下游人民的生命財產和國家設施造成重大損失。為保障下游人民生命財產安全、確保工程綜合效益充分發揮，對水庫進行除險加固處理、根除安全隱患是十分必要的。

2 大壩加固總體布置

本次大壩除險加固建設內容主要包括加固大壩、加高左右岸非溢流壩段以及重建啟閉平臺。加固后大壩為砌石重力壩，壩頂高程470.50 m，壩頂總長93 m。加高后左右岸非溢流壩段壩頂高程470.50 m，壩頂寬3.8 m，壩頂上、下游側均增設鍍鋅鋼管欄桿，高1.2 m。下游高程464.50 m 以上垂直，以下按坡比1∶0.8 采用C15 混凝土培厚。溢流壩段堰頂高程465.00 m，采用實用堰，下游壩坡1∶0.8，末端新建挑流消能設施，反弧半徑6 m，挑角25°，坎頂高程443.32 m。拆除重建溢流堰及兩側導墻，對壩體及壩基進行灌漿處理，重建放空孔維修閘門啟閉平臺。

3 大壩加固方案

3.1 非溢流壩段加固

地勘資料及現場情況顯示，大壩壩基存在局部滲漏現象。為提高大壩防滲性能，對壩基進行帷幕灌漿，對壩體進行充填灌漿。根據結構穩定計算，在校核洪水位工況下，大壩抗滑穩定安全系數小于相關規范要求最小值，大壩結構尚不夠穩定，取消防浪墻，壩頂整體加高并培厚下游壩坡，以增加壩體穩定性。

非溢流壩段灌漿孔平行壩軸線布置，第一排灌漿孔位于加固后壩軸線，孔距2 m；其他排灌漿孔孔距3 m，排距4 m。第一排灌漿孔較基巖面高2 m，對壩基進行帷幕灌漿，帷幕灌漿孔布置與第一排充填灌漿孔相同。下游464.50 m 高程以下按1：0.8 坡比采用C15 混凝土培厚原壩體，縱橫向布設Φ8@200鋼筋，并設Φ20錨筋@2 m，錨固長度1 m。壩頂采用C15混凝土加高至高程470.50 m，取消防浪墻，壩頂寬3.8 m，壩頂上、下游側均增設鍍鋅鋼管欄桿，高1.2 m。

3.2 溢流壩段加固

3.2.1 防滲處理

鑒于大壩壩基存在局部滲透破壞現象，本次對壩基進行帷幕灌漿，并對壩體進行充填灌漿。溢流壩段灌漿孔平行于壩軸線布置，其技術要求與非溢流壩段一致。

3.2.2 溢流堰及下游堰面處理

大壩溢流堰堰頂澆筑較差，本次拆除重建溢流堰。根據結構穩定計算，在校核洪水位工況下，大壩抗滑穩定安全系數小于相關規范要求最小值，大壩結構尚不夠穩定，本次培厚下游壩坡，以增加壩體穩定性。經計算，挑流消能設施挑距偏小，鼻坎高程偏低，本次新建挑流消能段。

加固后的溢流堰采用實用堰，堰頭采用1/4 橢圓曲線，后接0.5 m 直線段。下游貼原壩體增設C30混凝土面板，按1∶0.8坡比與反弧段銜接，面板縱橫向布設Φ8@200 鋼筋，并設Φ20 錨筋@2 m，錨固長度1 m。末端新建C30混凝土挑流鼻坎，反弧半徑6 m，挑角25°。

3.2.3 導墻重建

由于溢流壩兩側邊墻存在施工質量差、高度不夠等問題，因此拆除重建兩側邊墻，新導墻起于非溢流壩段下游側原壩頂（高程469.00 m），頂高程按坡度1∶0.75 采用C20 混凝土澆筑，至高程445.00 m 澆筑水平段至挑流段。

3.3 啟閉平臺重建

原啟閉平臺破損且設置不合理，本次拆除重新設置。新啟閉平臺采用大壩上游側澆筑牛腿出挑型式，牛腿寬度0.4 m，頂面出挑長度1.5 m，外側邊緣高度0.8 m，底面傾角45°，高度2.3 m，兩牛腿內邊間距1.2 m，頂設厚200 mm 板，尺寸2 m×1.5 m，啟閉機放置位置設置200 mm×500 mm 螺栓梁。放空孔檢修閘門啟閉設施不能正常運行，本次更換LQ-10 型手電兩用螺桿啟閉機及配套螺桿，并對閘門進行防腐處理。

4 方案復核分析

4.1 大壩穩定及應力復核分析

4.1.1 計算依據、條件及斷面

大壩加固后計算依據、穩定安全系數、計算參數中的抗剪系數、混凝土容重、風速、泥沙淤積高程等均同現狀復核，計算條件詳見表1，加固后漿砌石容重取21 kN/m3。由于大壩加固對壩基進行了帷幕灌漿，根據《砌石壩設計規范》（SL25-2006）要求，結合工程實際情況，揚壓力折減系數取0.7。

表1 龍九水庫設計調洪成果

4.1.2 計算結果

大壩抗滑穩定及應力計算結果，詳見表2—5。

表2 溢流壩段抗滑穩定計算結果

表3 非溢流壩段抗滑穩定計算結果

表4 非溢流壩應力計算結果

表5 溢流壩應力計算結果

由表2—5 可知，在各工況下，大壩抗滑穩定（∑W/∑M 值小于1），壩基應力（壩踵和壩趾的豎向應力）均滿足相關規范的要求。

4.2 溢流壩水面線復核分析

校核洪水位（P=0.33%）工況下，上游水位為468.99 m，泄量為632 m3/s，相應下游水位為442.35 m；設計洪水位（P=3.33%）工況下，上游水位為468.08 m，泄量為420 m3/s，相應下游水位為441.37 m。以此計算溢流壩水面線及兩側邊墻高度，計算結果詳見表6—7。

表6 校核洪水位（P=0.33%）工況下溢流壩水面線及邊墻高度計算結果

表7 設計洪水位（P=3.33%）工況下溢流壩水面線及邊墻高度計算結果

4.3 溢流壩消能復核分析

根據《溢洪道設計規范》（SL253-2018），4 級消能防沖建筑物按20 a一遇洪水設計。龍九水庫溢洪道消能方式為挑流消能，上游水位為467.90 m時，相應下泄流量為379 m3/s，相應下游水位為441.18 m。挑流水舌外緣挑距和沖刷坑最大水墊深度按下式進行計算：

式中：L1為總挑距（m）；L為自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距（m）；Lc為水面以下水舌長度的水平投影（m）；v1為鼻坎坎頂水面流速（m/s）；θ為挑流水舌水面出射角（°）；h1為挑流鼻坎末端法向水深（m）；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差（m）；T為自下游水面至坑底最大水墊深度（m）；g為重力加速度（m/s2）；k為綜合沖刷系數，取0.8；q為鼻坎末端斷面單寬流量（m2/s）；Z為上、下游水位差（m）；β為水舌外緣與下游水面的夾角（°），根據下式計算：

式中：ΔS為鼻坎頂端與下游水面的高差（m）；其余變量含義同上。

經計算，得L=28.36 m，Lc=7.32 m，總挑距L1=35.68 m，最大水墊深度T=5.62 m。

沖刷坑上游坡度按下式計算：

式中：i為沖刷坑上游坡度；ht為下游水深（m）；其余變量含義同上。

經計算，得i=1/7.83，允許的最大后坡ik=1/2.5～1/5，i＜ik，因此沖刷坑滿足相關規范安全要求。

5 結語及建議

通過復核江西省龍南縣龍九水庫大壩加固方案，結果表明大壩抗滑穩定、壩基應力、新建邊墻高度、挑流水舌外緣挑距和沖刷坑均滿足相關規范要求，大壩加固方案是合理的。下一步，應強化設計變更、質量管理、工程驗收等重點環節監管，進一步完善質量監管體系和安全責任制，在確保施工質量的前提下加快實施進度，充分發揮水庫在經濟、社會、生態等領域的多重效益，為推動產業發展、助力鄉村振興筑牢堅實的水利基礎。