小型水庫大壩安全認(rèn)定

伍 美 華

(杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310020)

小型水庫大壩安全認(rèn)定

伍 美 華

(杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310020)

通過對(duì)某一座小型水庫的運(yùn)行管理評(píng)價(jià)、防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、滲流穩(wěn)定安全評(píng)價(jià)、大壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)等專項(xiàng)評(píng)價(jià)，說明小型水庫大壩安全認(rèn)定的內(nèi)容和特點(diǎn)，以確保水庫大壩的安全運(yùn)行。

小型水庫，安全評(píng)價(jià)，防洪安全，滲流安全，結(jié)構(gòu)安全

我國大部分小型水庫興建于二十世紀(jì)六七十年代，鑒于當(dāng)時(shí)的歷史條件，工程勘察、設(shè)計(jì)、施工等建設(shè)環(huán)節(jié)沒有嚴(yán)格執(zhí)行基建程序，沒有堅(jiān)持設(shè)計(jì)審批、施工圖審查和竣工驗(yàn)收制度，工程檔案資料不齊全[1]。經(jīng)過近三四十年的運(yùn)行使用，水庫大壩已出現(xiàn)不少問題，如水庫壩址、壩基漏水，大壩防洪安全不滿足要求，壩體填筑質(zhì)量差，大壩出現(xiàn)沖刷、侵蝕、坍塌等現(xiàn)象，水庫大壩附屬設(shè)施老化缺失，存在很大的安全隱患。為保證水庫大壩的安全運(yùn)行，確保水庫最大化的發(fā)揮效益，必須對(duì)病險(xiǎn)水庫大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固。對(duì)水庫大壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，全面準(zhǔn)確地掌握水庫大壩的運(yùn)行狀況，找出安全隱患，以便有針對(duì)性地對(duì)水庫大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，做到“對(duì)癥下藥”十分必要。

水庫大壩安全評(píng)價(jià)一般包括[2]：工程質(zhì)量評(píng)價(jià)，大壩運(yùn)行管理評(píng)價(jià)，防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核，水庫大壩滲流安全評(píng)價(jià)，大壩結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)等內(nèi)容，通過各專項(xiàng)分析評(píng)價(jià)，確定水庫大壩安全級(jí)別。本文通過對(duì)浙江省某小型水庫大壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)來說明水庫大壩安全評(píng)價(jià)中應(yīng)解決的問題。

1 工程概況

某小(二)型水庫位于浙江省淳安縣，該座水庫于1971年建設(shè)，1972年投入運(yùn)營，水庫灌溉面積370畝，下游保護(hù)人口2 000多人，保護(hù)耕地900畝。

大壩為粘土心墻壩，壩頂高程173.12 m～173.50 m，最大壩高24 m，壩頂長度67 m。水庫按20年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核，設(shè)計(jì)總庫容30.4萬m3，正常庫容26.3萬m3。

溢洪道為開敞式明槽溢洪道，左側(cè)及底板為混凝土襯砌，右側(cè)為山體。溢洪道進(jìn)口設(shè)寬頂堰，堰寬9 m，下游泄流段長87 m，寬3.5 m。

水庫放水設(shè)施為輸水涵管，位于大壩右端，涵管為混凝土圓管，管徑0.3 m，進(jìn)口配斜插板啟閉機(jī)。

2 工程運(yùn)行管理評(píng)價(jià)

水庫大壩已運(yùn)行40多年，大壩及其附屬設(shè)施已出現(xiàn)較多問題：上游壩坡中部鼓出明顯，上部壩坡較陡，不滿足規(guī)范要求；下游壩坡較陡，壩坡面平整度較差；壩基滲漏水較為嚴(yán)重；溢洪道底板混凝土襯砌破損；放水設(shè)施涵管進(jìn)口閘門及其啟閉設(shè)備老化，拉桿銹蝕。水庫無上壩公路，不便于大壩維修、搶險(xiǎn)，且該工程建成后未設(shè)置變形和滲流等觀測設(shè)施，無法對(duì)大壩進(jìn)行安全監(jiān)測。

水庫管理已規(guī)范化和制度化，有專職管理人員及較為健全的防汛、抗旱運(yùn)行方案。

綜上所述，該水庫大壩運(yùn)行管理綜合評(píng)價(jià)為“一般”。

3 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

3.1 設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)地形圖量測，本水庫壩址以上控制集雨面積為2.46 km2，匯流面積不超過50 km2，故采用浙江水電院推理公式計(jì)算其洪水過程。壩址以上洪水成果見表1。

表1 設(shè)計(jì)洪水成果表

3.2 調(diào)洪計(jì)算

水庫調(diào)洪采用靜庫容調(diào)洪計(jì)算方法，即認(rèn)為某個(gè)水位水庫水面是水平的，采用靜庫容曲線，利用水量平衡原理，假定在計(jì)算時(shí)段dt內(nèi)水庫庫容和庫水位成線性變化，采用試算法迭代求解。

泄流方式是通過溢洪道自流渲泄，孔泄流系數(shù)為1.55。根據(jù)計(jì)算判別，當(dāng)堰頂水頭低于1.2 m時(shí)，采用寬頂堰形式計(jì)算泄流量，當(dāng)堰頂水頭高于1.2 m時(shí)，采用折線實(shí)用堰計(jì)算泄流量，計(jì)算公式如下：

式中：Q——流量，m3/s；B——溢流堰過水總凈寬；H0——計(jì)及行近流速的堰頂水頭，m；v0——行近流速，m/s；α0——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，近似的取1.03；H——堰上水頭，m，計(jì)算斷面前取在堰前3H0～6H0處； g——重力加速度,m/s2；m——流量系數(shù)；C——上游面坡度修正系數(shù)，取1.0；ε——收縮系數(shù)，取1.0。

經(jīng)過調(diào)洪演算，得到水庫20年一遇設(shè)計(jì)和200年一遇校核洪水調(diào)節(jié)成果如表2所示，水庫調(diào)洪過程線見圖1。

表2 水庫調(diào)洪演算計(jì)算成果表

項(xiàng)目頻率20年200年最高水位Zmax/m172．27172．77最大庫容Vmax/萬m326．728．1洪峰流量QP/m3·s-14159最大下泄流量Qmax/m3·s-13348

3.3 壩頂高程復(fù)核

壩頂在水庫靜水位以上的超高計(jì)算公式為[2]：

y=R+A。

式中:y——壩頂在靜水位以上的超高，m；R——波浪沿壩坡的最大爬高，m，取累積頻率為5%的波浪爬高值Rp；

A——安全超高,5級(jí)壩設(shè)計(jì)洪水位下取0.50 m，校核洪水位下取0.30 m。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算：

式中：hm——平均波高，m；Tm——平均波周期，s；Lm——平均波長，m；W——計(jì)算風(fēng)速，m/s，正常運(yùn)用條件下取多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，非常運(yùn)用條件下采用多年平均最大風(fēng)速；

Hm——水域平均水深，m；

D——風(fēng)區(qū)長度，m。

計(jì)算結(jié)果見表3。由表可知現(xiàn)狀壩頂高程低于設(shè)計(jì)工況和校核工況下壩頂計(jì)算高程，大壩不能滿足防洪安全要求。

表3 壩頂高程復(fù)核結(jié)果

根據(jù)浙水管[2003]10號(hào)浙江省小型水庫大壩安全技術(shù)認(rèn)定辦法(試行)[3]及SL 258—2000水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則[4]，該水庫大壩防洪安全性級(jí)別為“C”級(jí)。

4 滲流安全評(píng)價(jià)

根據(jù)大壩地質(zhì)勘探結(jié)果，壩體的滲透系數(shù)4.85×10-3cm/s～6.52×10-4cm/s，壩體為中等透水體，壩基接觸段及基巖第一段為中等透水帶。

選取最大壩高斷面進(jìn)行大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算分析，主要考慮水庫正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及水庫自校核洪水位驟降至溢洪道高程處等四種工況下壩體滲流量、浸潤線的位置及逸出點(diǎn)高度，并計(jì)算下游壩坡水力坡降，計(jì)算工況見表4。

表4 大壩滲流計(jì)算工況匯總表 m

計(jì)算各工況下壩體浸潤線見圖2，大壩浸潤線出口高度、壩體滲流量及壩趾處的水力坡降見表5。

表5 滲流計(jì)算結(jié)果

計(jì)算工況浸潤線逸出點(diǎn)距下游水位高度a/m滲流量QL/s浸潤線逸出點(diǎn)處水力坡降J壩趾處最大水力坡降Jmax允許水力坡降[J]正常蓄水位9．780．12780．281．09設(shè)計(jì)洪水位15．320．14390．321．34校核洪水位19．250．12530．261．85庫水位降落9．570．12980．241．070．445

從計(jì)算結(jié)果可知，大壩下游浸潤線逸出點(diǎn)較高，且大壩的滲流量較大。下游壩坡浸潤線逸出點(diǎn)處的水力坡降均小于允許值，但壩趾處的水力坡降在遠(yuǎn)大于允許值，壩趾處易發(fā)生滲透破壞。

將滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果結(jié)合地質(zhì)勘探和大壩運(yùn)行狀況，根據(jù)浙水管[2003]10號(hào)以及SL 258—2000，大壩滲流安全性級(jí)別評(píng)為“C”級(jí)。

5 結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析采用的物理力學(xué)指標(biāo)參考大壩地質(zhì)勘察結(jié)果，計(jì)算斷面與滲流安全計(jì)算斷面一致(見表6)。

表6 壩體及壩基物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范要求，壩坡穩(wěn)定分析應(yīng)分別計(jì)算上、下游壩坡在穩(wěn)定滲流期以及上游壩坡在庫水位降落期的抗滑穩(wěn)定性。計(jì)算得上、下游壩坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及對(duì)應(yīng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見圖3。

從計(jì)算結(jié)果可知，水庫上壩坡的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但上壩坡中部鼓出明顯，且上部坡度較陡，不滿足規(guī)范要求；下壩坡的坡度較陡，其安全系數(shù)僅略大于規(guī)范允許值，安全儲(chǔ)備較少，且下壩坡平整度較差，堆放有大量松散塊石，存在安全隱患。

根據(jù)浙水管[2003]10號(hào)及SL 258—2000，該座水庫大壩結(jié)構(gòu)安全性級(jí)別為“B”級(jí)。

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

通過對(duì)小型水庫大壩的運(yùn)行管理、防洪影響、滲流安全和結(jié)構(gòu)安全等各專項(xiàng)評(píng)價(jià)，結(jié)合地質(zhì)勘察及運(yùn)行狀況，綜合認(rèn)定該水庫大壩安全狀況為“三類壩”。

6.2 建議

根據(jù)水庫大壩安全認(rèn)定結(jié)論，對(duì)水庫大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，主要內(nèi)容包括：1)壩頂結(jié)構(gòu)改造，使得壩頂高程滿足防洪安全要求。2)上、下壩坡整治并護(hù)坡。3)壩體、壩基防滲和加固處理。4)溢洪道左側(cè)及底板混凝土補(bǔ)砌、修整。5)封堵壩內(nèi)輸水涵管，新開挖放水隧洞。6)修建上壩公路和管理房。7)增設(shè)水庫水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)及大壩安全監(jiān)測設(shè)施。

[1] 牛運(yùn)光.試論土石壩隱患深測[J].大壩與安全，1996，36(2)：24-33.

[2] SL 189—96，小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].

[3] 浙水管[2003]10號(hào)，浙江省小型水庫大壩安全技術(shù)認(rèn)定辦法(試行)[R].

[4] SL 258—2000，水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則[S].

[5] 婁健康，李 慧，張玉輝.小型水庫大壩穩(wěn)定分析計(jì)算[J].山西建筑，2014，40(6)：231-233.

Safety identification of small-scale reservoir dam

Wu Meihua

(HangzhouHydropowerSurveyDesignInstituteCo.,Ltd,Hangzhou310020,China)

Through estimating the small-scale reservoir about operation management assessment, flood-preventing criteria auditing, seepage stability safety assessment and dam structure safety assessment, the paper illustrates the small-scale reservoir dam safety identifying contents and features, with a view to guarantee the safe operation reservoir dam.

small-scale reservoir, safety assessment, flood-preventing safety, seepage safety, structural safety

2015-02-03

伍美華(1982- )，女，工程師

1009-6825(2015)11-0221-03

TV697

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