小型水庫除險加固的復(fù)核計算

張與馨

摘要： 小型病險水庫的除險加固整治工程有利于保障地區(qū)的經(jīng)濟效益和下游人民的安全。在進行出現(xiàn)加固整治工程設(shè)計的前期，首先應(yīng)復(fù)核水庫的抗洪能力和滲透穩(wěn)定性，通過計算結(jié)果判斷水庫存在的病險問題并提出相應(yīng)的整治方案，本文通過對小型病險水庫除險加固工程的復(fù)核計算整理，總結(jié)了小型病險水庫在整治工程中需要進行復(fù)核計算的內(nèi)容，包括洪水復(fù)核、泄洪能力復(fù)核、壩頂高程復(fù)核和穩(wěn)定性復(fù)核。

關(guān)鍵詞： 水利水電工程;復(fù)核計算;除險加固;小型水庫

【中圖分類號】TV75【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）12-0224-02

水庫是普遍用來防洪的工程措施，同時在灌溉、供水、發(fā)電等方面都發(fā)揮著重要作用。據(jù)最新資料統(tǒng)計，截止到2018年，全國已建成736座大型水庫、3954座中型水庫和94132座小型水庫，總計共98822座水庫。其中，至少有90%的水庫均修建于20世紀(jì)70年代前，距今已運行了超過50年，大部分均為小型水庫，使用至今已接近最大使用年限，亟需重新評估。并且由于當(dāng)時的施工工藝、技術(shù)、管理等均比較落后，長久運行下來，這些小型水庫都存在安全隱患，對周邊的經(jīng)濟和人民的安全有很大威脅。通過對小型病險水庫除險加固整治方案前期復(fù)核計算的整理，本文總結(jié)了關(guān)于小型水庫除險加固的需要復(fù)核計算內(nèi)容，以期為高校的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及除險加固設(shè)計工作提供幫助。

1前言

近年來，我國政府加大投資力度進行了大規(guī)模的病險水庫出現(xiàn)加固工程建設(shè)，但是，到目前為止，仍有大量小型病險水庫除險加固工作未完成[6]。通過實施水庫的除險加固工作，一是可以提高水庫的安全度、發(fā)揮防洪減災(zāi)作用：二是可以恢復(fù)水庫的綜合功能;三是可以改善水庫的運行管理條件[5]。通過對小型水庫病險情況的統(tǒng)計，小型水庫的存在的病險主要分為以下幾種：（1）大壩防洪能力不滿足規(guī)范要求。（2）壩體有滲透問題。（3）上游壩坡垮塌。（4）溢洪道泄洪能力不滿足要求。（5）溢洪道邊墻垮塌。（6）放水涵管損壞。（7）存在白蟻問題。其中，大壩的洪水、防洪能力、泄洪能力和滲透穩(wěn)定性都需要進行復(fù)核計算。

2洪水及泄洪能力復(fù)核

在水庫的除險加固中，在進行泄洪能力復(fù)核之前，首先要進行的便是根據(jù)洪水標(biāo)準(zhǔn)進行洪水復(fù)核，步驟通常是：根據(jù)集雨面積進行暴雨計算，根據(jù)公式推求徑流過程，推求洪水參數(shù)及洪水過程線，根據(jù)水量平衡原理進行調(diào)洪演算，最后依據(jù)調(diào)洪演算的結(jié)果便可進行洪水和泄水能力的復(fù)核計算。

調(diào)洪演算的基本方法有列表式算法、半圖解法和雙輔助線圖解法[3]。三種方法的基本原理均是利用水量平衡方程來進行計算，其基本方程為：

0.5（QI+Qi+1）Δt-0.5（qi+qi+1）Δt=Vi+1-Vi（2.1）

式中：Q為入庫流量，m3/s;q為下泄流量，m3/s;v為水庫蓄水量，m3;△t為計算時段，h;i為時段編號。

其中，溢洪道下泄流量的計算公式根據(jù)大壩本身溢洪道的結(jié)構(gòu)按照《溢洪道設(shè)計規(guī)范》[1]選用相應(yīng)的公式進行計算。通過調(diào)洪演算，可得到不同頻率下的最大水位——設(shè)計洪水位、校核洪水位，及其對應(yīng)的最大下泄流量qmax。

若此時溢洪道的最大泄流量q小于qmax，則說明溢洪道泄流量達不到標(biāo)準(zhǔn)，需要采取措施進行整治以提高泄量。

3壩頂高程復(fù)核

據(jù)調(diào)查，小型水庫的結(jié)構(gòu)通常為碾壓式土石壩結(jié)構(gòu)，對于壩頂高程的校核應(yīng)按照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001》進行計算。壩頂高程H=水庫在不同運用情況下的靜水位Z+壩頂超高y，壩頂超高的計算可分為四種工況，正常蓄水位+正常運用條件;正常蓄水位+非常運用條件;設(shè)計洪水位+正常運用條件;校核洪水位+非常運用條件[2]。四種工況下的壩頂超高均按照公式3.1進行計算。

y=R+e+A（3.1）

式中：y為壩頂超高，m;R為波浪在壩坡上的設(shè)計爬高，m;e為最大風(fēng)壅水面高度，m;A為安全加高，m。

其中，當(dāng)水庫壩坡坡度系數(shù)不同時，波浪平均爬高Rm有不同的經(jīng)驗公式，且其大小與波浪的平均高度與平均長度有關(guān)，關(guān)于波浪平均高度和平均長度的計算，可選用莆田試驗站公式、鶴地水庫公式和官廳水庫公式，對水庫大壩所處位置的地形特點選對應(yīng)的公式，例如若水庫處于丘陵區(qū)，則應(yīng)選擇鶴地水庫公式來進行波浪參數(shù)的計算。波浪爬高R的設(shè)計值則應(yīng)根據(jù)工程等級確定，需查表計算將平均波浪爬高進行轉(zhuǎn)化。壩頂超高A的大小與水庫的工程等級和運用情況有關(guān)，通過查表求得。

若水庫的壩頂高程小于計算最大壩頂高程，則表明水庫防洪不滿足要求，必須需要采取工程措施對壩頂進行加高。

4穩(wěn)定性復(fù)核

4.1滲透計算

對于以土石壩為主要存在形式的小型水庫來說，由于上下游的水位差和土石壩的特點，水很容易沿著土?？障稄纳嫌蜗蛳掠螡B透，因此滲透穩(wěn)定是必須要注意的問題。在對小型水庫復(fù)核的過程中，有必要進行滲透計算，得到壩體和壩基滲流區(qū)的滲流因素，確定滲流量、浸潤線位置、逸出點和滲透坡降，判斷水庫目前的是否會發(fā)生局部滲透破壞，同時可為壩坡穩(wěn)定性計算提供依據(jù)。

滲透計算的方法有流網(wǎng)法（圖解法）、水力學(xué)法、有限元法和實驗測量等，流網(wǎng)法計算精度較高、但是計算比較復(fù)雜;水力學(xué)法計算簡單，雖然不完全符合連續(xù)性方程，但精度可以滿足工程要求，使用比較廣泛;有限元法是將大壩劃分為無數(shù)足夠小的單元，通過分析每個單元的滲透，再通過單元的節(jié)點對整體進行分析，是數(shù)學(xué)中的變分原理的發(fā)展，涉及到各種偏微分方程，計算比較復(fù)雜，精度較高，目前大都是基于軟件進行計算。目前市面上有很多可以計算滲透穩(wěn)定的水工結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，比如理正巖土軟件和Autobank7.0軟件。

滲透計算工況一般包括：靜水位下形成穩(wěn)定滲流期、發(fā)生水庫水位降落時的非穩(wěn)定滲流的情況。

4.2穩(wěn)定性計算

土石壩很容易發(fā)生壩坡失穩(wěn)的現(xiàn)象，為了確定土石壩是否會發(fā)生穩(wěn)定性破壞，在設(shè)計初期必須進行穩(wěn)定計算，目的是復(fù)核土石壩在各種工況下是否安全。由于壩體結(jié)構(gòu)、筑壩材料、壩基地質(zhì)條件的不同，土石壩的滑動面有直線型、折線型、圓弧形和復(fù)合型滑動面幾種類型，對不同類型的滑動面，應(yīng)選用不同的穩(wěn)定計算方法。

土石壩穩(wěn)定計算的基本原理都是極限平衡理論，根據(jù)假設(shè)的不同，可分為瑞典圓弧法、穩(wěn)定安全系數(shù)法、簡化畢肖普法、摩根斯頓-普萊斯法（M-R法）、折線滑動法等。對于均質(zhì)土壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，通常采用圓弧法進行壩坡穩(wěn)定計算，但整體圓弧法沒辦法求解，為了簡化計算，常采用條分法。條分法根據(jù)假設(shè)條件的不同，又分為兩種，分別是不考慮條件作用力的瑞典圓弧法和考慮條間力作用的畢肖普法，在計算時若只考慮條塊間的水平作用力，則稱為簡化畢肖普法[4]。條分法的計算原理是，假定一個圓弧面為滑動面，將滑動面平均分條，對每一個條進行受力分析，計算抗滑力矩和滑動力矩，然后進行整體的求和，得到抗滑力矩與滑動力矩的比值，作為其安全系數(shù)。通過假定不同的滑動面可以得到不同的安全系數(shù)，取其中的最小值為計算安全系數(shù)，若這個值小于規(guī)范，則說明壩坡失穩(wěn)，若這個值大于規(guī)范，則壩坡穩(wěn)定。穩(wěn)定計算的工況通常包括：施工期的上下游壩坡穩(wěn)定、穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡穩(wěn)定、水庫水位降落期的上游壩坡穩(wěn)定[2]。

5總結(jié)

小型病險水庫除險加固工程的復(fù)核計算部分一般包括洪水復(fù)核、泄洪能力復(fù)核、壩頂高程復(fù)核和穩(wěn)定性復(fù)核，通過暴雨洪水計算、調(diào)洪演算可得到設(shè)計洪水位、校核洪水位以及對應(yīng)的最大下泄流量;通過溢洪道與下泄流量公式結(jié)果對比便可復(fù)核水庫的泄流能力是否滿足泄洪要求;通過壩頂高程的計算可以復(fù)核水庫壩高是否滿足防洪要求;通過滲透坡降的計算復(fù)核是否會發(fā)生滲透破壞;通過安全系數(shù)的計算復(fù)核是否滿足穩(wěn)定性要求。復(fù)核結(jié)果可為后續(xù)除險加固方案的設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)支持，能夠有針對性的提出整治方案，本文總結(jié)了關(guān)于復(fù)核計算的內(nèi)容，希望對高校的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及除險加固工作提供幫助。

參考文獻

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