豐滿大壩重建工程施工期度汛對(duì)老壩穩(wěn)定的影響分析

張永鑫 王進(jìn) 范戎 東棟

豐滿水電站是我國(guó)第一座大型水電廠，位于吉林市東南24 m 處的第二松花江的上。豐滿大壩始建于1937年，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工以及建設(shè)管理水平的限制，并且超期服役，因此，大壩存在許多先天缺陷[1]。經(jīng)過(guò)前期充分地科學(xué)論證，最終選定重建新壩作為豐滿水電站全面治理方案[2]。豐滿水電站大壩全面治理工程是按恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，在原壩下游120 m 處新建一座大壩，并利用原豐滿三期工程[3]，如圖1 所示。

圖1 豐滿重建工程平面布置圖

新壩建設(shè)期間，老壩兼作為新建工程的上游圍堰使用，老壩仍需正常擋水運(yùn)行。由于新建大壩距離老壩較近，新壩建設(shè)期間不同施工階段及各種因素會(huì)不可避免地對(duì)原壩的原有運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生一定影響，為正確評(píng)價(jià)新建工程對(duì)原壩的影響，保證新壩建設(shè)期老壩運(yùn)行安全，開(kāi)展了新老壩相互影響分析，確定新壩建設(shè)期對(duì)老壩的各種影響因素和影響程度，進(jìn)而為提出相應(yīng)的對(duì)策措施提供理論支撐，這對(duì)新壩建設(shè)以及下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要的意義。工程建設(shè)期第3 年起下游新壩逐年施工到不同高程，新壩預(yù)留缺口泄洪。由于新壩建設(shè)期間水庫(kù)限制水位運(yùn)行，度汛期間老壩下游水位與原正常運(yùn)行狀態(tài)相比發(fā)生了變化，會(huì)對(duì)老壩的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。因此，本文重點(diǎn)分析了大壩重建工程施工期度汛對(duì)老壩穩(wěn)定的影響。

1 影響因素分析

施工期遭遇超標(biāo)洪水時(shí)，老壩下游基坑將被淹沒(méi)，在新老壩間將有一定水位的存水。當(dāng)新壩澆筑到一定高程后，該水位可能高于下游尾水位，相當(dāng)于新壩起到了高圍堰的作用而將下游水位壅高。為復(fù)核新壩建設(shè)期度汛情況下的老壩安全性，需對(duì)度汛期間老壩遭遇不同標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)老壩下游水位抬高情況下的壩體安全進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 主要內(nèi)容及方法

鑒于剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果較有限元法保守[4]，本次主要采用剛體極限平衡法對(duì)典型壩段14#溢流壩段、22#引水壩段、35#斷層壩段以及49#岸坡?lián)跛畨味蝃5]進(jìn)行新壩建設(shè)期度汛老壩抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核。分析老壩典型壩段在新壩建設(shè)期遭遇不同頻率洪水時(shí)的安全穩(wěn)定性，綜合分析評(píng)價(jià)老壩在施工期的整體安全性。

3 施工導(dǎo)流

施工導(dǎo)流方式采用泄洪兼導(dǎo)流洞與三期機(jī)組發(fā)電共同泄流方式。老壩兼作為新建工程的上游圍堰使用，下游圍堰一次性攔斷河床，在上下游圍堰的保護(hù)下進(jìn)行重建工程的施工。

本工程建設(shè)期水庫(kù)調(diào)度按《白山、豐滿水庫(kù)防洪聯(lián)合調(diào)度臨時(shí)方案》（松汛[2008]8 號(hào)）進(jìn)行正常水庫(kù)調(diào)度。導(dǎo)流期間，當(dāng)洪水不超過(guò)20 年重現(xiàn)期洪水時(shí)，采用導(dǎo)流洞與三期機(jī)組發(fā)電聯(lián)合泄流的方式。當(dāng)洪水大于20 年重現(xiàn)期洪水時(shí)，按白豐聯(lián)合調(diào)度臨時(shí)方案的原則，老壩溢流閘門(mén)開(kāi)啟泄洪，超標(biāo)洪水度汛采用淹沒(méi)基坑、壩體或壩體缺口過(guò)水的方式。

4 施工期度汛對(duì)老壩穩(wěn)定的影響分析

4.1 施工期度汛時(shí)老壩抗滑穩(wěn)定分析

在新壩施工期度汛時(shí)對(duì)老壩安全進(jìn)行分析，分別取對(duì)應(yīng)于百年度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)的上游庫(kù)水位264.1 m、設(shè)計(jì)洪水位266.5 m 以及校核洪水位267.7 m 3 種庫(kù)水位工況[5]進(jìn)行壩體安全性復(fù)核計(jì)算。度汛期老壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表1。

按照DL 5108—1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，按剛體極限平衡法進(jìn)行復(fù)核，新壩建設(shè)期度汛，除老壩35#斷層壩段外，其余壩段抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，控制工況為設(shè)計(jì)洪水位工況。35#斷層壩段，在施工期度汛時(shí)，其抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，控制工況為設(shè)計(jì)洪水位工況。

表1 校核洪水工況老壩典型壩段建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

4.2 施工期度汛時(shí)老壩斷層壩段抗滑穩(wěn)定與下游水位關(guān)系分析

由表1 可知，施工期度汛第4 年，斷層壩段的抗滑穩(wěn)定安全裕度最低，為控制時(shí)段。此時(shí)段，新壩缺口隨著大壩混凝土澆筑而不斷升高，度汛期間兩壩間水位也隨之抬升，為此，研究了老壩斷層壩段建基面抗滑穩(wěn)定與新老壩之間的水位關(guān)系。如圖2 所示。

圖2 度汛期斷層壩段抗滑穩(wěn)定安全度和新老壩之間水位關(guān)系圖

通過(guò)計(jì)算，在新壩建設(shè)期度汛時(shí)，隨著老壩下游水位的上升，老壩建基面的抗滑穩(wěn)定安全度先降低后升高。當(dāng)新老壩之間水位為205～208 m 時(shí)，老壩建基面抗滑穩(wěn)定安全度是最低的，之后隨水位的升高，其抗滑穩(wěn)定向有利方向發(fā)展，當(dāng)新老壩之間水位為215 m 時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全度與現(xiàn)狀同相當(dāng)。當(dāng)新老壩之間水位在200～215 m 時(shí)，度汛期老壩抗滑穩(wěn)定安全度低于現(xiàn)狀同水平泄洪時(shí)的抗滑穩(wěn)定安全度。

4.3 壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)敏感性分析

在上述新壩建設(shè)期度汛時(shí)段，老壩穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)采用實(shí)測(cè)值。但新壩建設(shè)期度汛，老壩下游壅水，可能會(huì)惡化老壩壩基及壩體滲流條件，因此，對(duì)壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)與壩基抗滑穩(wěn)定安全度進(jìn)行了敏感性分析，研究最不利的壩基滲流變化條件，以利原大壩安全監(jiān)測(cè)預(yù)警，確保工程安全。

這里主要針對(duì)度汛期最不利年份，即第4 年新老壩間水位200 m 情況時(shí)的老壩壩基面抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析。采用剛體極限平衡法，對(duì)度汛期第4 年壩基不同揚(yáng)壓力折減系數(shù)時(shí)老壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全裕度進(jìn)行計(jì)算。由以上計(jì)算成果可知3 種計(jì)算工況，隨著老壩揚(yáng)壓力折減系數(shù)的增大，各典型壩段建基面的抗滑穩(wěn)定安全裕度呈降低趨勢(shì)，近似為線性，符合結(jié)構(gòu)受力的一般規(guī)律。

14#溢流壩段，在百年度汛工況、設(shè)計(jì)洪水工況及校核洪水工況下壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)分別達(dá)0.74、0.53、0.82時(shí)，其建基面抗滑穩(wěn)定安全裕度達(dá)到1.0，處于規(guī)范允許臨界狀態(tài)。22#引水壩段，在3 種工況下壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)分別達(dá)0.48、0.30 和0.59 時(shí)，其建基面抗滑穩(wěn)定安全裕度達(dá)到1.0，處于規(guī)范允許臨界狀態(tài)。49#岸坡?lián)跛畨味?，? 種工況下壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)分別達(dá)0.90、0.63、0.88時(shí)，其建基面抗滑穩(wěn)定安全裕度達(dá)到1.0，處于規(guī)范允許臨界狀態(tài)。35#斷層壩段因?yàn)榇嬖跀鄬悠扑閹Вɑ嫖锢砹W(xué)特性較差，抗滑穩(wěn)定安全裕度不足。35#斷層壩段，在百年度汛工況、設(shè)計(jì)洪水工況及校核洪水工況下建基面抗滑穩(wěn)定安全裕度與壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 斷層壩段建基面抗滑穩(wěn)定安全裕度和壩基揚(yáng)壓力折減系數(shù)關(guān)系圖

5 影響分析結(jié)論

通過(guò)工程施工期度汛期間老壩遭遇不同標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)新老壩間水位抬高情況下的壩體安全進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)如下：

（1）新壩建設(shè)期度汛時(shí)，溢流壩段、引水壩段和岸坡壩段的抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。隨兩壩間水位升高，安全裕度最初有稍微的降低，但隨水位繼續(xù)升高，安全裕度反而有較大的提高。對(duì)于上述3 個(gè)典型壩段，新壩建設(shè)期度汛壩體的抗滑穩(wěn)定是有保證的。

（2）35#斷層壩段，沿建基面抗滑穩(wěn)定安全裕度原本較低，泄洪抬高兩壩間水位，其安全裕度沒(méi)有明顯降低，當(dāng)水位比較高時(shí)反而有利。老壩度汛期兩壩間水位在200～215 m 時(shí)，老壩的穩(wěn)定安全度低于現(xiàn)狀，但各施工年份新壩度汛期，其預(yù)留缺口高程均不在此區(qū)間內(nèi)，因此，度汛期老壩穩(wěn)定安全性是不低于現(xiàn)狀的穩(wěn)定安全性。這說(shuō)明，新壩施工期遇超標(biāo)洪水下泄抬高了兩壩間水位，盡管35#斷層壩段的抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，但與現(xiàn)狀相比，并沒(méi)有因此而惡化老壩35#斷層壩段的穩(wěn)定安全度。

（3）3 種計(jì)算工況下，隨著老壩揚(yáng)壓力折減系數(shù)的增大，各典型壩段建基面的抗滑穩(wěn)定安全裕度呈降低趨勢(shì)，近似為線性，符合結(jié)構(gòu)受力的一般規(guī)律。35#斷層壩段抗滑穩(wěn)定安全裕度不足，其他典型壩段安全裕度處于規(guī)范允許的臨界狀態(tài)。