水庫運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與治理
——以甘肅省某水庫為例

鮑 春，劉利星

（蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000）

水庫運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與治理
——以甘肅省某水庫為例

鮑 春，劉利星

（蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000）

水庫會在正常運(yùn)營過程中逐漸顯露出一些病險(xiǎn)問題。本文以某水庫為例進(jìn)行研究，對水庫進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)后，發(fā)現(xiàn)水庫建成后運(yùn)行的30年中主要產(chǎn)生兩方面的問題：左壩肩繞壩滲流問題和溢洪建筑物改建設(shè)計(jì)缺陷。經(jīng)調(diào)研和研究提出以下治理方案：采用擴(kuò)大帷幕灌漿范圍，在滲流區(qū)增加單排帷幕灌漿來解決左壩肩繞壩滲漏問題；對洞身圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿來解決泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足等問題。通過對水庫的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及提出合理的治理方案為類似工程提供借鑒作用。

水庫；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；滲流；壩體穩(wěn)定；優(yōu)化工程

0 引言

水庫建設(shè)初期由于技術(shù)水平、施工工藝等限制，導(dǎo)致水庫在后期運(yùn)營過程中出現(xiàn)許多問題，主要包括壩體滲漏、壩坡滑裂面穩(wěn)定性安全以及后期溢洪建筑物的結(jié)構(gòu)減弱等問題［1-2］，國內(nèi)外學(xué)者針對這些問題的進(jìn)行了大量綜合評估方面的研究。譚曉慧等［3］采用定值分析法重點(diǎn)研究滑面幾何參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，為水庫壩坡的安全預(yù)測提供了主要依據(jù)；鈕新強(qiáng)等［4］提出了以隧洞粘貼高強(qiáng)碳纖維內(nèi)襯布的方式對混凝土襯砌進(jìn)行強(qiáng)度和防滲加固；趙廷華等［5］采用混凝土防滲墻及左右岸帷幕灌漿方式對窄口水庫壩體進(jìn)行截滲加固，在水庫后期運(yùn)行表明加固效果顯著；在國外，針對水庫滲漏通常采用同位素示蹤探查的方式，例如波蘭馬考夫斯基［6］用82B r作為主要注射液，用131I和51C r作為附加注射液，大大減輕了滲流分析和加固工程的難度。

某水庫經(jīng)過多年的運(yùn)行，因庫水位的周期性升降，使得砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉巖發(fā)生少量的崩解或泥化，導(dǎo)致滲漏通道逐漸堵塞。由于左壩肩巖體斷裂發(fā)育、表層巖體傾倒彎折導(dǎo)致部分裂隙貫通性增強(qiáng)，并出現(xiàn)溢洪建筑物設(shè)計(jì)欠科學(xué)等問題；通過對水庫運(yùn)營和管理情況的現(xiàn)場調(diào)查，采用定性半定量的方法對水庫運(yùn)營進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，并且提出合理的治理方案。

1 水庫區(qū)域基本概況

庫區(qū)屬典型的峽谷型水庫，河谷呈不對稱的“U”型。水庫壩址加高方案通過優(yōu)化比選最終決定選擇下壩址峽谷型水庫方案，采用混凝土面板砂礫石壩方案，工程區(qū)及周圍底層主要有二疊系、三疊系和白堊系沉積巖，以及第四系松散堆積物。下壩址區(qū)河漫灘不發(fā)育，大部分被坡積、滑坡堆積及洪積物所覆蓋，地表植被發(fā)育。研究區(qū)屬侵蝕、剝蝕褶皺斷塊石質(zhì)山峽谷區(qū)，東西走向高差300～600m。在近庫岸處有兩個(gè)小坍塌體，在溝道及山坡坡腳，分布有坡積、崩積塊碎石。水庫右岸坡度較緩，坡度20～35°，局部45～50°。

2 水庫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.1 壩體滲流評價(jià)及計(jì)算

目前對于水庫樞紐滲流問題主要采用滲流有限元法［7-9］進(jìn)行分析，首先確定壩體斷面單位寬度及浸潤線結(jié)果，選取典型壩體斷面計(jì)算：

其中：q1和q2分別為壩基、下游單寬滲流量，K壩體滲透系數(shù)，m為上下游邊坡系數(shù)，H1上游水深。

壩體浸潤線方程：

繪制流網(wǎng)圖，計(jì)算滲透坡降：

式中：J為滲透坡降；Δ H為上下游水頭差；L為滲流途徑長度。

左壩肩巖體反傾向?qū)訝钋臆浻蚕嚅g，整體性較好，但存在五組裂隙：L1N W335°SW∠78°，為張扭性；L2N E 60°SE 68°～75°；L3N E 30°SE∠72°，為張性粗糙面；L4N W340～355°SE∠86°；L5N E 70°～SE 115°SE～SW∠70°～83°，為張性粗糙卸荷裂隙。在五組裂隙和F8～10三條斷層的切割作用下，二者在斜坡表層和深層交匯，其中L1～4與三條斷層的絞線與坡向一致，坡腳分別為30°、52°、17°，需進(jìn)行穩(wěn)定性分析：

將滑面的內(nèi)聚力假定為C1=C2=0

其中：?1=?2=62.6°，β1為一組結(jié)構(gòu)面的傾角，β2為另一組結(jié)構(gòu)面的傾角，β為兩組結(jié)構(gòu)面結(jié)合交線傾角。

采用式（5）和（6），經(jīng)計(jì)算三組結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定系數(shù)分別為1.72、1.35、2.06，處于穩(wěn)定狀態(tài)。但左壩肩表層間歇分布有松散堆積物，下伏二疊系上統(tǒng)石千峰群（P 2s h）砂巖、砂質(zhì)裂隙發(fā)育，由于結(jié)構(gòu)面相互切割，原壩軸線0+160～0+250m段，灌漿質(zhì)量較差難以堵塞滲漏通道；左壩肩陡坡達(dá)40～50°，難以架設(shè)機(jī)器對壩基進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理。泄洪洞出口與壩后有4處滲水點(diǎn)，需要進(jìn)行坡降計(jì)算（滲水點(diǎn)位置見圖1）。

壩體滲流分析及計(jì)算按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）（SL 274-2001）進(jìn)行。計(jì)算清基不徹底的0+160m處、斷面最大處的0+198m處及標(biāo)準(zhǔn)心墻壩斷面的0+250m處，以圖2為例。由式（1）～（3），首先計(jì)算滲流計(jì)算浸潤線結(jié)果，求得壩體壤土心墻段最大滲透比降不符合比降取值范圍為3～5，需要進(jìn)行壩體心墻穩(wěn)定性加固［10］。

圖1 庫區(qū)滲水點(diǎn)示意圖

圖2 0+250m斷面滲流計(jì)算簡圖

2.2 壩體穩(wěn)定性分析及計(jì)算

對壩體穩(wěn)定性的分析計(jì)算一般是將其當(dāng)作邊坡來處理，沿用傳統(tǒng)的土力學(xué)的傳統(tǒng)理論進(jìn)行分析。壩體的穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法和數(shù)值法，數(shù)值法有離散元法、邊界元法、有限元法等；極限平衡法有瑞典圓弧法、畢肖普法、陸軍工程師團(tuán)法、薩爾瑪法和摩根斯坦—普萊斯法等［11，12］。因壩肩穩(wěn)定分析的對象是復(fù)雜的天然巖體，應(yīng)力應(yīng)變呈顯著的非線性，故對壩體抗滑穩(wěn)定性采用非線性有限元分析［12］法，且不宜采用直接求解式（7）求解。

式中：S為抗滑總剪力；R為滑動面上的抗剪強(qiáng)度；Ci、Ai、fi分別為滑動面上的凝聚力、滑動面積和摩擦系數(shù)；Ni、Ti分別為滑動面上的法向力和剪力。

圖3 超載的兩種方法

常用的安全系數(shù)求解方法有超載法、強(qiáng)度儲備安全系數(shù)法和點(diǎn)安全系數(shù)法等，該水庫穩(wěn)定性［12］采用超載法進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)結(jié)合其在A N SY S［13］中的應(yīng)用，得出抗滑穩(wěn)定性的具體計(jì)算方法。超載法是假定壩基和壩肩的巖石力學(xué)參數(shù)不變的情況下，認(rèn)為的將何在按照比例增加，直到滑移失穩(wěn)，超載法所確定的超載能力主要是通過破壞時(shí)相應(yīng)的外荷載Pm與設(shè)計(jì)荷載Pn的比值來衡量，即用超載安全系數(shù)Ko來評價(jià)壩體的穩(wěn)定性系數(shù)。

三角荷載的表達(dá)式為：

其中：rm、rn分別為滑裂失穩(wěn)破壞時(shí)與設(shè)計(jì)時(shí)的外荷載容重。

超載安全系數(shù)包括初始安全系數(shù)和極限安全系數(shù)，用K1，K2表示，即

式中Fa、Fr、Fo分別表示初始屈服荷載、極限荷載和正常荷載。當(dāng)壩體和壩肩變形進(jìn)入非線性狀態(tài)時(shí)，視作壩體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

因最危險(xiǎn)滑裂面位于壓重平臺較小范圍內(nèi)的上游平臺坡腳處，不能真實(shí)反應(yīng)壩體穩(wěn)定性，需在0 +160m斷面上游選取三條代表性的滑裂面（見圖4）?；衙?（危險(xiǎn)滑動面）；滑裂面2為坡積土軟弱夾層；滑裂面3為不受壓重平臺影響的上游典型滑面。

按超載法計(jì)算表明在沒有假定上游壓重平臺穩(wěn)定的前提下，上游壩坡沿軟弱夾層滑動安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需要對壩進(jìn)行加固。

圖4 新選三條滑裂面示意圖

2.3 泄洪洞結(jié)構(gòu)評估

桿系有限元法［14-15］是分析計(jì)算巖體隧洞、基坑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等常用方法，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中位移法的原理及矩陣代數(shù)運(yùn)算，在巖體截面節(jié)點(diǎn)變化處，先將分析對象劃分節(jié)點(diǎn)，再進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。采用文克爾假定［15］，即彈性抗力與水平位移之間成一定的比例關(guān)系：P=K δ，剛度矩陣［K］的推導(dǎo)見文獻(xiàn)［16］。經(jīng)計(jì)算表明水位抬高后原各斷面強(qiáng)度［17］均不滿足要求，需對泄洪洞進(jìn)行加固處理。

3 治理方案

3.1 壩體滲流治理

由于大壩滲漏嚴(yán)重，導(dǎo)致后壩坡逸出點(diǎn)較高，為有效降低浸潤線，提高防滲治理效果，擬在壩軸線樁號0+150～0+243.2m壩段通過建單排高壓定噴防滲墻進(jìn)行加固。防滲墻厚度為0.3m，孔距2m，孔深58～70m，不僅可以更大力度消除病險(xiǎn)水庫的滲漏問題，而且還能防止?jié)B漏水的沖刷力度破壞水庫的壩體，此外對混凝土防滲墻與壤土截水槽之間的砂礫石進(jìn)行帷幕灌漿。為徹底解決左壩肩繞壩滲流問題，在0+010～0-087m壩段也采取了治理防護(hù)措施，增加單排帷幕灌漿。在施工中要按照施工要求精確的配置灌漿，對不斷循環(huán)使用的灌漿應(yīng)該進(jìn)行多次的測量，防止其因放置時(shí)間出現(xiàn)的變化，影響病險(xiǎn)水庫加固的質(zhì)量。

3.2 壩坡穩(wěn)定性治理

將壩頂10m范圍內(nèi)的砂礫石壩殼及心墻全部挖除，壩頂高程降至1516.0m，最大可能降低壩體內(nèi)部浸潤線。另在樁號0+130～0+230m的范圍內(nèi)上游壩坡壓重平臺處現(xiàn)澆C 25鋼筋混凝土抗滑樁。沿壓重平臺坡腳線布置31根直徑2m的抗滑樁，中心距離5m，頂部與地面線齊平，底部深入基巖3m，樁深35～45m。

3.3 泄洪洞結(jié)構(gòu)加固

擬將泄洪洞進(jìn)口和出口進(jìn)行改建，將泄洪洞全部拆除，在原址重建岸塔式結(jié)構(gòu)檢修閘室，閘室長9.0m，寬8.0m，總高度67m，高出地面約15m。洞身段采用固結(jié)灌漿及內(nèi)襯鋼板進(jìn)行加固，灌漿孔梅花形布置，孔距2.5m，孔深5m，內(nèi)襯鋼板厚度8m m。

3.4 水庫優(yōu)化工程評定

水庫經(jīng)過除險(xiǎn)加固工程后，對壩坡上下游進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，在穩(wěn)定滲流期、水位驟降及地震工況下，采用瑞典圓弧法［18］得出穩(wěn)定性系數(shù)分布為1.35、1.23和1.19，畢肖普法［17］分別為1.31、1.21和1.17，均滿足規(guī)范允許值。同時(shí)大壩經(jīng)過防滲處理后，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也得到了很大的提高，對大壩的除險(xiǎn)加固起到了重要作用，有效消除了大壩的安全隱患。

4 結(jié)論

通過對水庫運(yùn)營中的問題進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，采用滲流有限元法、超載安全系數(shù)法和桿系有限元法分別對壩體滲流，壩前邊坡穩(wěn)定性和泄洪洞結(jié)構(gòu)或溢洪道結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是適用的。大壩安全系數(shù)滿足規(guī)范允許值，并通過壩體實(shí)施混凝土帷幕灌漿以及在壩坡處增設(shè)鋼筋混凝土抗滑樁方案對三者進(jìn)行治理也是切實(shí)可行的，為其它類似工程提供借鑒作用。

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T V 62

B

1672-2469（2015）05-0070-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.022

鮑 春（1991年—），男，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401107）