大梁屯水庫除險(xiǎn)加固工程安全鑒定

程瑞山，劉 琪，張 峰，孟凡欽

(武漢理工大學(xué)，武漢 4300702)

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大梁屯水庫除險(xiǎn)加固工程安全鑒定

程瑞山，劉 琪，張 峰，孟凡欽

(武漢理工大學(xué)，武漢 4300702)

大梁屯水庫位于普蘭店市蓮山鎮(zhèn)榆樹房村大梁屯，清水河流域的中上游。文章對大梁屯水庫除險(xiǎn)加固工程下閘蓄水階段驗(yàn)收提供依據(jù)，對水庫進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水復(fù)核，泄洪能力復(fù)核，對水庫進(jìn)行特征水位復(fù)核，對混凝土防滲墻土壩進(jìn)行了壩頂高程復(fù)核以及大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算，進(jìn)行了具體的技術(shù)分析和安全鑒定。

大梁屯水庫；除險(xiǎn)加固；安全鑒定；評價(jià)；復(fù)核

1 工程概況

大梁屯水庫位于普蘭店市蓮山鎮(zhèn)榆樹房村大梁屯，清水河流域的中上游，壩址地處E122°15′15″，N39°32′00″。水庫始建于1958年3月，同年7月竣工。1964年4月進(jìn)行了加固翻修，1965年6月竣工。大梁屯水庫是一座以防洪和灌溉為主，還具有淡水養(yǎng)殖和美化環(huán)境的功能。水庫校核洪水位41.32m，設(shè)計(jì)洪水位40.45m，正常蓄水位38.31m，死水位為31.81m，汛期限制水位38.31m。

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[1]，大梁屯水庫屬中型水庫，工程等別為Ⅲ等，相應(yīng)的永久性水工建筑物級別為：主要建筑物3級，次要建筑物4級，施工臨時(shí)建筑物級別為5級。大梁屯水庫主要建筑物洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：100a一遇洪水設(shè)計(jì)，1000a一遇洪水校核，施工洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇。

大梁屯水庫混凝土防滲墻土壩為均質(zhì)土壩，壩軸線接近東西向，總長522.2m，壩頂高程平均為42.66m，壩頂總寬度6.0m，泥質(zhì)路面。

2 安全鑒定的組織及實(shí)施

水安全鑒定工作的任務(wù)是按照水利部《水利水電建設(shè)工程蓄水安全鑒定暫行辦法》(水建管[1999]177號文)的要求[2]，依據(jù)國家有關(guān)法律、法規(guī)，根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、初步設(shè)計(jì)報(bào)告、設(shè)計(jì)變更及修改文件、監(jiān)理簽發(fā)的技術(shù)文件及說明、確定鑒定工作范圍：對大梁屯水庫進(jìn)行防洪、泄洪以及特征水位進(jìn)行復(fù)核，重點(diǎn)對混凝土防滲墻土壩進(jìn)行壩頂高程復(fù)核和滲流穩(wěn)定計(jì)算等有關(guān)內(nèi)容。

3 鑒定內(nèi)容及成果結(jié)論

3.1 當(dāng)前工程形象面貌評價(jià)

目前施工形象面貌，大壩主體工程均已完成，具備擋水條件；溢洪道工程主體，金屬結(jié)構(gòu)制安已全部完成，具備泄洪條件；輸水洞土建及金屬結(jié)構(gòu)均已完成，具備輸水能力。水庫庫區(qū)庫底清理已完成，滿足蓄水要求。

3.2 工程防洪標(biāo)準(zhǔn)與防洪能力評價(jià)

3.2.1 設(shè)計(jì)洪水復(fù)核

清水河無水文資料，設(shè)計(jì)洪水只能由暴雨資料推求。本次復(fù)核采用《計(jì)算方法》中的集水面積<300 km2的方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水[3]。根據(jù)新量算水庫流域面積45.54 km2，壩址以上河道長度14.34 km，河道比降為6.67‰，通過以上方法計(jì)算出的頻率為1%的設(shè)計(jì)洪水及0.1%的校核洪水主要成果為：設(shè)計(jì)洪水100a一遇，洪峰流量為372.2m3/s，一日洪量為600萬m3/s，三日洪量為667萬m3/s；校核洪水1000a一遇，洪峰流量為884.8m3/s，一日洪量為1620萬m3/s,三日洪量為1825萬m3/s。

經(jīng)復(fù)核，本工程在下閘蓄水前原初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)洪水成果可基本合理、安全、可靠。

3.2.2 泄洪能力復(fù)核

大梁屯水庫下游有防洪要求，其洪水調(diào)節(jié)方式采用水庫蓄洪限制下泄流量。大梁屯水庫洪水調(diào)度按以下原則進(jìn)行：①溢洪道為開敞式，自由出流，無閘控制；②調(diào)洪起調(diào)水位即為溢流堰堰頂高程38.31m。調(diào)洪采用如下公式：

(1)

式中：Q1、Q2為分別為計(jì)算時(shí)段初、末的入庫流量，m3/s;V1、V2為計(jì)算時(shí)段中初、末的庫容，m3;q1、q2分別為計(jì)算時(shí)段初、末的下泄流量，m3/s;△t為計(jì)算時(shí)段，s。

堰流及綜合流量系數(shù)按下列各式計(jì)算：

(2)

(3)

式中：Q為過堰流量，m3/s；m為不計(jì)側(cè)收縮系數(shù)的綜合流量系數(shù)；n為橋孔數(shù)，取3個(gè)；b為單孔凈寬，取5.36m；H為堰前水頭，m；mm為中孔的流量系數(shù)，取0.37；ms為邊孔的流量系數(shù)，取0.35。溢洪道控制段泄流能力見表1。

表1 溢洪道控制段泄流能力計(jì)算成果表

3.2.3 水庫設(shè)計(jì)特征水位復(fù)核

依據(jù)初步設(shè)計(jì)階段水庫正常蓄水位成果，確定現(xiàn)有水庫興利庫容是合理的，所以維持現(xiàn)有正常蓄水位38.31m不變。相應(yīng)興利庫容為1120.9萬m3，實(shí)測31.81m對應(yīng)的死庫容為29.40萬m3。死庫容由下式計(jì)算：

(4)

式中：V死為死庫容，萬m3；r為泥沙容重，1.3t/m3；T為設(shè)計(jì)淤積年限，考慮再運(yùn)行30 a；E為推移質(zhì)占懸移質(zhì)的比重，20%；G為多年平均懸移質(zhì)年輸沙量，G=200×45.54=9108t；經(jīng)計(jì)算，V死=25.2萬m3<29.40萬m3。因此水庫原死水位依然滿足再運(yùn)行30年的要求，維持原死水位31.81m。

大梁屯水庫由其洪水調(diào)度原則要求，汛期限制水位即為堰頂高程處水位38.31m，相應(yīng)庫容為1150.3萬m3。大梁屯水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇洪水，設(shè)計(jì)洪水位為40.45m，相應(yīng)庫容為1996.97萬m3。大梁屯水庫校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000a一遇洪水，校核洪水位為41.32m，相應(yīng)庫容為2479.41萬m3。

3.3 大壩安全性評價(jià)

3.3.1 壩頂高程復(fù)核

為了保證庫水不溢過或?yàn)R過壩頂，壩頂高程在水庫正常運(yùn)用和非常運(yùn)用的靜水位以上應(yīng)有足夠的超高值，計(jì)算采用《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)5.3.1條推薦的公式進(jìn)行計(jì)算[4]，波浪爬高、風(fēng)壅水面高度采用附錄A推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。

Y=R+e+A

(5)

式中：R為波浪爬高，m；e為風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m；安全加高值按規(guī)范選取，3級土壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取0.7m，校核標(biāo)準(zhǔn)取0.4m。

1)波浪爬高R的計(jì)算

(6)

式中：m為坡度系數(shù)；KΔ為斜坡糙率滲透性系數(shù)；hm為平均波高，m；Lm為平均波長，m；Kw為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

平均波高h(yuǎn)m及平均波長Lm按規(guī)范推薦的蒲田試驗(yàn)站公式計(jì)算：

(7)

Tm=4.438hm0.5

(8)

(9)

式中：hm為平均波高，m；Tm為平均波周期，s；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s；分別取轉(zhuǎn)換系數(shù)K1=2.0，K2=1.0，查圖《土壩設(shè)計(jì)》得出非常運(yùn)用條件下計(jì)算庫面風(fēng)速為22.82m/s，正常運(yùn)用條件下計(jì)算庫面風(fēng)速為34.23m/s。D為風(fēng)區(qū)長度，m；風(fēng)區(qū)長度為風(fēng)向作用于庫區(qū)水域的長度，在庫區(qū)地形圖上量測得到，風(fēng)區(qū)長度詳見表2；Hm為水域平均水深，m；即水域的平均深度，在庫區(qū)地形圖上沿計(jì)算風(fēng)向作剖面圖求得，詳見表2；H為壩上游面水深，m；即水域的平均深度，在庫區(qū)地形圖上沿計(jì)算風(fēng)向作剖面圖求得，詳見表2；Lm為平均波長，m。

表2 波浪爬高要素計(jì)算表

3.3.2 風(fēng)壅水面高度e計(jì)算

采用規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。具體公式為：

(10)

式中：e為計(jì)算點(diǎn)處的風(fēng)壅水面高度，m；k為綜合摩阻系數(shù)；W為水面以上10m高程處的風(fēng)速，m/s；D為風(fēng)區(qū)長度，m；H為水深，m；β為風(fēng)向與壩軸法向夾角。

壩頂超高具體計(jì)算成果見表3。

表3 壩頂超高計(jì)算結(jié)果表

壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 壩頂超高計(jì)算結(jié)果表

現(xiàn)狀壩頂不平，高程在42.61～42.73m，防浪墻頂高程在43.62～43.70m，均滿足計(jì)算要求。

3.3.2 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)填筑材料的物理指標(biāo)、地形、地質(zhì)及壩高等因素，本次滲流計(jì)算采用二維有限元計(jì)算，穩(wěn)定計(jì)算采用二維極限平衡分析方法(畢肖普法)。

1)計(jì)算參數(shù)：

斷面土層分布及各土層滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)采用地質(zhì)勘察報(bào)告及試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果，具體如表5所示。

由水文分析及洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果可見，庫水位由正常高水位上漲至校核洪水位歷時(shí)72h左右，之后水位緩慢下落。為安全起見在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位下同時(shí)考慮穩(wěn)定滲流，因此滲流穩(wěn)定需計(jì)算表6所示4種工況。

表5 滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

表6 滲流穩(wěn)定計(jì)算工況

2)滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析：

壩體典型剖面滲流場計(jì)算結(jié)果如表7和圖1所示。由表7可知，在不同工況下，混凝土防滲墻最大水力坡降與壩體下游溢出點(diǎn)處水力坡降均小于允許坡降，同時(shí)，考慮到壩體設(shè)計(jì)時(shí)，對下游坡面進(jìn)行了碎石護(hù)坡和反濾設(shè)計(jì)，其抵抗?jié)B透破壞的能力可進(jìn)一步提高，防滲墻和壩體的滲透坡降滿足滲透穩(wěn)定性要求。

經(jīng)復(fù)核，大梁屯水庫上、下游滑動均為淺層滑動，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表7與圖2所示。

表7 滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖1 滲流計(jì)算浸潤線示意圖

圖2 穩(wěn)定計(jì)算滑弧位置圖

3.3.4 大壩基礎(chǔ)穩(wěn)定校核

為確保大梁屯水利樞紐工程安全，壩基防滲采用溝槽混凝土防滲墻方案。

1)防滲墻厚驗(yàn)算

根據(jù)抗?jié)B性要求驗(yàn)算墻厚

(11)

式中：tj為計(jì)算墻厚，m；t為實(shí)際墻厚，m；J允為允許的水力坡降，J允=80；H為防滲墻上下游水頭，H=10.0m；經(jīng)計(jì)算，tj=0.13m

2)根據(jù)耐久性要求驗(yàn)算墻厚

防滲墻的混凝土在滲透水流的作用下，將產(chǎn)生溶蝕作用，使混凝土結(jié)構(gòu)逐漸疏松，喪失強(qiáng)度和防滲能力。如按喪失50%強(qiáng)度時(shí)所需時(shí)間考慮，則防滲墻的厚度計(jì)算如下。

(12)

式中：tj為計(jì)算墻厚，m；t為實(shí)際墻厚，m；K為混凝土防滲墻的滲透系數(shù)，k=0.032m/a；T為混凝土防滲墻的耐久性要求年限，取T=50 a；H為防滲墻上下游水頭，H=10.0m；a為混凝土強(qiáng)度降低50%時(shí)，防滲墻每千克水泥滲水量，取a=1.6kg/m3；c為每m3混凝土水泥用量，取c=230kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，tj=0.2m

4 結(jié) 語

壩頂高程復(fù)核、壩體滲流穩(wěn)定經(jīng)復(fù)核滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，水庫特征水位、泄洪經(jīng)復(fù)核滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。工程等別、建筑物級別及防洪標(biāo)準(zhǔn)符合現(xiàn)行規(guī)范要求[5-6]。地震設(shè)防烈度符合現(xiàn)行規(guī)范要求；大梁屯水庫除險(xiǎn)加固工程主要建筑物混凝土防滲墻土壩已全部完工，具備蓄水條件。

[1]長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL252—2000水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2]中華人民共和國水利部.SL44—93水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，1993.

[4]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.SL274—2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2002.

[5]中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會.DL5703—2000水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2000.

[6]中華人民共和國建設(shè)部.GB50201—94防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計(jì)劃出版社，1994.

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2016-07-06

張磊(1982-)，男，遼寧錦州人，工程師，研究方向?yàn)樗摹⑺Y源等。