豐儀山水庫(kù)安全評(píng)估及加固方案研究

王 鑫

（撫州市城市用水管理辦公室，江西 撫州 344000）

0 引言

確保水庫(kù)安全運(yùn)行需要定期開(kāi)展水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)，及時(shí)掌握工程的安全狀況，并對(duì)出現(xiàn)病險(xiǎn)的水庫(kù)及時(shí)采取控制和除險(xiǎn)加固[1]。全面地開(kāi)展水庫(kù)安全評(píng)價(jià)工作，準(zhǔn)確提出大壩、溢洪道、輸水涵管等建筑物存在的問(wèn)題和安全形態(tài)，為水庫(kù)大壩安全鑒定、水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供科學(xué)決策依據(jù)[2]，可保障水利工程安全運(yùn)行效益的發(fā)揮。豐儀山水庫(kù)從壩體防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)安全及附屬設(shè)施現(xiàn)狀等方面展開(kāi)評(píng)價(jià)，依據(jù)相應(yīng)的評(píng)估結(jié)論設(shè)計(jì)了科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的加固方案，為水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作提供思路。

1 工程安全評(píng)估

1.1 工程概況

豐儀山水庫(kù)位于撫州市東鄉(xiāng)縣楊橋鎮(zhèn)園藝場(chǎng)，距東鄉(xiāng)縣城約20 km，壩址坐落在信江水系東鄉(xiāng)河支流上。壩址以上集雨面積1.00 km2，主河道長(zhǎng)1.66 km，河道比降0.0071，總庫(kù)容為68.76×104m3，設(shè)計(jì)灌溉面積400畝，實(shí)際灌溉面積350畝，是以灌溉為主，防洪、養(yǎng)殖兼顧的綜合利用性小(二)型水利工程。

1.2 安全評(píng)估

根據(jù)地勘報(bào)告及設(shè)計(jì)安全復(fù)核，按《江西省小（2）型水庫(kù)大壩安全評(píng)估技術(shù)規(guī)定》豐儀山水庫(kù)大壩屬Ⅲ類(lèi)壩，不能安全運(yùn)行，必須盡快對(duì)水庫(kù)大壩、溢洪道及附屬設(shè)施進(jìn)行除險(xiǎn)加固，恢復(fù)正常運(yùn)行。

豐儀山水庫(kù)經(jīng)評(píng)估主要存在以下幾方面問(wèn)題。

1.2.1 壩體高程

大壩為粘土均質(zhì)壩，壩頂高程48.45 m～48.79 m，頂寬4.90 m～5.50 m。上游壩坡坡比為1∶2.35，下游壩坡坡比為1∶2.6。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。計(jì)算壩體超高結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壩頂高程安全復(fù)核表

由表可見(jiàn)，現(xiàn)狀壩頂高程達(dá)不到規(guī)范要求，需統(tǒng)一壩頂高程為49.35 m。

1.2.2 壩體結(jié)構(gòu)

大壩為均質(zhì)土壩，上游無(wú)護(hù)坡，壩體土質(zhì)差，填筑質(zhì)量不滿足要求，壩底清基不徹底，無(wú)排水設(shè)施。

1.2.3 附屬設(shè)施

溢洪道現(xiàn)狀為土渠，底板及邊坡均未護(hù)砌，且進(jìn)口控制段兩岸邊坡因人為取土而被拓寬，且邊坡坍塌嚴(yán)重,末端無(wú)消能防沖設(shè)施。涵管進(jìn)口斜臥管混凝土老化，破損嚴(yán)重，無(wú)法正常放水。平管為混凝土預(yù)制圓涵，混凝土老化破損，接縫漏水水庫(kù)無(wú)水、雨情觀測(cè)設(shè)施和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，無(wú)通訊交通工具，影響防汛搶險(xiǎn)。

2 除險(xiǎn)加固方案

針對(duì)安全評(píng)估存在的問(wèn)題，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，配備相應(yīng)的管理設(shè)施，確保水庫(kù)大壩正常安全運(yùn)行。

2.1 大壩加固設(shè)計(jì)方案

2.1.1 壩頂整治方案

通過(guò)壩頂高程復(fù)核計(jì)算，目前壩頂高程不能滿足設(shè)計(jì)洪水、校核洪水的安全需要。本次設(shè)計(jì)壩頂高程需49.35 m，壩頂寬度4.00 m，兩側(cè)設(shè)50 cm×25 cm的C20砼路肩石。為了改善大壩的防汛交通條件，結(jié)合水庫(kù)的運(yùn)行管理要求，壩頂設(shè)置砼路面寬3.5 m，路面傾向下游設(shè)2%的橫坡，厚度為20 cm。

2.1.2 壩坡整治方案

大壩現(xiàn)狀上游壩坡無(wú)護(hù)坡，下游壩坡為草皮護(hù)坡，本次設(shè)計(jì)對(duì)上游坡設(shè)計(jì)洪水位以上0.5 m至死水位采用厚0.1 m的砼預(yù)制塊護(hù)坡，下設(shè)厚0.1 m的砂卵石墊層，以上采用草皮護(hù)坡。根據(jù)工程的實(shí)際情況，上游護(hù)坡選砼預(yù)制塊和干砌塊石兩種方案進(jìn)行綜合比較。

（1）干砌塊石護(hù)坡（方案Ⅰ）

砌石護(hù)坡厚度參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算，見(jiàn)式（1）:

式中:D為石塊的換算球形直徑，m；Kt為隨坡率變化的系數(shù)，查表取值 1.3；ρk為塊石密度，t/m3；取 ρk＝1.8；ρw為水的密度，t/m3；ρw＝1.0；m為坡度，m=3.00；hp為累積頻率為10%的設(shè)計(jì)波浪高度，hp＝0.471m；t為護(hù)坡厚度，m。

經(jīng)計(jì)算得:D=0.186 m，t=0.261 m，根據(jù)干砌塊石護(hù)坡的構(gòu)造要求及施工技術(shù)要求，取干砌塊石護(hù)坡厚度t=0.3 m，護(hù)坡下采用0.10 m厚砂礫石墊層。

（2）砼預(yù)制塊護(hù)坡（方案Ⅱ）

方案Ⅱ?yàn)檎呅雾蓬A(yù)制塊護(hù)坡，砼強(qiáng)度為C15，邊長(zhǎng)0.3 m，參照式（2）計(jì)算預(yù)制砼護(hù)坡板厚

式中:η為系數(shù)，裝配式取η=1.1；b為沿護(hù)坡板向長(zhǎng)度，b=0.52 m（分縫間距）；ρc為板的密度，取 ρc=2.4 t/m3；ρw為水的密度，取ρw=1.0 t/m3；hp為累積頻率為 1%的波高，hp＝0.584 m；Lm為平均波長(zhǎng)，Lm＝7.42 m；m為護(hù)坡坡率，m=3.00。

（3）方案比選

以面積1 m2進(jìn)行兩方案工程量及造價(jià)比較，見(jiàn)表2。

表2 兩方案工程量及造價(jià)比較表

從表2中比較結(jié)果可知，混凝土預(yù)制塊護(hù)坡（方案Ⅰ）比干砌塊石護(hù)坡（方案Ⅱ）多6.44元/m2，但方案Ⅱ比方案Ⅰ施工干擾少，質(zhì)量更容易控制，外形美觀，本次加固設(shè)計(jì)選取砼預(yù)制塊護(hù)坡（方案Ⅱ）為大壩上游護(hù)坡方案。

2.2 溢洪道除險(xiǎn)方案

根據(jù)溢洪道的工程現(xiàn)狀及安全評(píng)價(jià)結(jié)論，溢洪道除險(xiǎn)加固的主要任務(wù)是完建溢洪道，出口新建消力池。

2.2.1 溢洪道邊墻

溢洪道進(jìn)口段及控制段因人為取土被拓寬，地形平坦，現(xiàn)狀為土渠，溢洪道基礎(chǔ)為坡殘積土層，具有弱透水性，抗沖刷能力差。設(shè)計(jì)完建溢洪道，由于溢洪道進(jìn)口段、控制段及大部分泄槽段均需回填土方，施工時(shí)壓實(shí)度要求較高，邊墻墻背承受土壓力較大，故采用C20砼擋墻。

2.2.2 溢洪道消力池設(shè)計(jì)

根據(jù)地形地質(zhì)條件，采用挖深式消力池銜接陡槽，水流進(jìn)入消力池底流消能，消力后設(shè)泄洪渠。消力池底板高程為44.68 m，設(shè)計(jì)下泄流量按10年一遇2.63 m3/s。先根據(jù)前節(jié)所用方法計(jì)算出陡槽出口h1=0.05 m，V1=9.40 m/s。消力池底板采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，邊墻為重力式擋土墻，頂寬0.3 m，背水面1∶0.35；消力池底板厚0.30 m，底板縱向設(shè)3排φ50排水孔，排距3.0 m。

2.3 壩下涵管除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.3.1 涵管工程布置

根據(jù)施工要求及地質(zhì)條件，現(xiàn)對(duì)進(jìn)口斜臥管拆除重建，開(kāi)挖重建壩下涵管。根據(jù)地質(zhì)條件以及與下游渠道的銜接，將涵管管線與大壩交線處樁號(hào)為0+030，涵管進(jìn)口底板高程保持高程43.45 m不變。

2.3.2 涵管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

涵管進(jìn)口采用斜管控制，級(jí)差為0.4 m，臺(tái)階寬1.4 m,放水孔徑為Φ20 cm。斜涵為直徑0.6 m預(yù)制砼管外包砼0.20 m厚。壩下涵管長(zhǎng)31.5 m，涵管分4節(jié)，前3節(jié)長(zhǎng)均為9.0 m，第4節(jié)長(zhǎng)4.5 m。進(jìn)口段長(zhǎng)4.4 m，消力池長(zhǎng)3.8 m。平涵進(jìn)水口處設(shè)閘門(mén)，閘門(mén)均采用雙預(yù)制閘門(mén)中間回填粘土結(jié)構(gòu)。洞身分縫均設(shè)銅片止水一道，并在接縫外包鋼筋混凝土截水環(huán)，斷面為0.4 m×0.4 m。

3 加固后壩體穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算斷面

結(jié)合地質(zhì)鉆探孔位布置和大壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算選取最大壩高斷面作為計(jì)算斷面，計(jì)算斷面圖經(jīng)簡(jiǎn)化處理見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算斷面模型圖

3.2 計(jì)算方法及工況

大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算可采用瑞典圓弧法，穩(wěn)定滲流期按有效應(yīng)力法計(jì)算壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)，非穩(wěn)定滲流期分別按總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法計(jì)算壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)。計(jì)算工況取為穩(wěn)定滲流期正常運(yùn)用情況和非正常運(yùn)用情況組合。

3.2.1 正常運(yùn)用條件

正常工況:上游水位為正常蓄水位47.00 m，下游地面高程。

設(shè)計(jì)工況:上游水位為設(shè)計(jì)洪水位47.42 m，下游地面高程。

3.2.2 非常運(yùn)用條件校核工況:上游水位為校核洪水位47.61 m，下游地面高程。庫(kù)水位非常降落1:上游水位從校核洪水位47.61 m驟降至溢洪道堰頂高程47.00 m處。

庫(kù)水位非常降落2:上游水位從正常蓄水位47.00 m驟降至壩前1/3高程44.20 m。

3.3 計(jì)算成果

3.3.1 穩(wěn)定滲流期下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，大壩設(shè)計(jì)水位和正常水位兩種工況下形成穩(wěn)定滲流時(shí)，三個(gè)計(jì)算斷面下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范值1.15，滿足規(guī)范要求；校核水位工況下形成穩(wěn)定滲流時(shí)，三個(gè)計(jì)算斷面下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范值1.05，達(dá)到規(guī)范要求。壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)的變化符合斷面所取位置及斷面的一般規(guī)律，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（正常蓄水位）

圖3 下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（設(shè)計(jì)洪水位）

3.3.2 庫(kù)水位降落期上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，庫(kù)水位從校核水位47.61 m降至溢洪道堰頂高程47.00 m時(shí)，大壩計(jì)算斷面上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法計(jì)算均大于規(guī)范值1.05，滿足抗滑穩(wěn)定要求；庫(kù)水位從正常水位47.00 m降至壩前1/3高程44.20 m時(shí)，計(jì)算斷面上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法計(jì)算大于規(guī)范值1.05，滿足抗滑穩(wěn)定要求，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 非常降落1上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖5 非常降落2上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)是做好安全鑒定和設(shè)計(jì)除險(xiǎn)加固方案的前提。安全評(píng)價(jià)需要專(zhuān)家組現(xiàn)場(chǎng)檢查、資料整理復(fù)核、各部位專(zhuān)項(xiàng)計(jì)算驗(yàn)證，最終得出科學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)論。豐儀山水庫(kù)大壩在前期資料的基礎(chǔ)上完成了各專(zhuān)項(xiàng)計(jì)算驗(yàn)證，水庫(kù)綜合評(píng)估為三類(lèi)壩。同時(shí)采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，按照壩體、溢洪道、壩下涵管等附屬設(shè)施設(shè)計(jì)了相關(guān)除險(xiǎn)方案，并完成加固后的穩(wěn)定計(jì)算驗(yàn)證，在滿足安全運(yùn)行要求的前提下節(jié)省了方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本。