湖南懷化曬口水庫安全評(píng)價(jià)分析

張叢彭， 楊 旭, 雷 鳴， 王 濤*

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢430072;2.湖南省懷化市水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院， 湖南 懷化 418000)

我國已建水庫數(shù)量居世界首位，這些水庫大壩在防洪、灌溉、供水等方面發(fā)揮著重要的作用[1].但有些水庫興建時(shí)技術(shù)條件有限，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件也有限，后期運(yùn)行中也缺乏科學(xué)維護(hù)，因此，這些水庫大壩存在質(zhì)量問題和安全隱患，阻礙了中國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展[2-3].

為保證水庫大壩安全，我國實(shí)行了定期開展安全鑒定的制度.曬口水庫大壩此前最后一次安全鑒定的時(shí)間在2010年，距今已過10年，并且在這期間內(nèi)大壩進(jìn)行了除險(xiǎn)加固.根據(jù)相關(guān)規(guī)定，大壩每次進(jìn)行安全鑒定的時(shí)間間隔為6～10年，針對(duì)此前發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵問題展開專項(xiàng)復(fù)核分析[4-5]，因此按照《水庫大壩安全鑒定辦法》(水建管【2003】271號(hào))的要求，參考國家頒布的相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范，并依據(jù)水利行業(yè)的最新標(biāo)準(zhǔn)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017)(以下簡稱《導(dǎo)則》)中的具體內(nèi)容，武漢大學(xué)對(duì)除險(xiǎn)加固后的湖南省懷化市通道縣曬口水庫進(jìn)行了安全評(píng)價(jià).本文主要對(duì)曬口水庫主壩、副壩的滲流安全和結(jié)構(gòu)安全及相關(guān)鑒定部分進(jìn)行了總結(jié)分析，提煉出的規(guī)律和采用的方法可以為水庫管理單位、設(shè)計(jì)院和科研單位等提供參考.

1 工程概況

1.1 水庫簡介

曬口水庫水電站位于渠水一級(jí)支流四鄉(xiāng)河下游，電站的裝機(jī)容量為15 MW.水庫以防洪功能為主，兼有引水發(fā)電(年發(fā)電量為3 055萬kW·h)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)林灌溉等綜合效益，是一座大(2)型水庫.水庫控制集雨面積為607 km2，河流全長為70 km，平均坡降為2.94%.水電站保證出力為2 070 kW.根據(jù)湘水電小字【1991】第71號(hào)文的相關(guān)規(guī)定，曬口水庫建筑物級(jí)別降低一級(jí)，主要建筑物等級(jí)為3級(jí)，次要建筑物等級(jí)為4級(jí).

樞紐工程主要由主壩、副壩、電站廠房等永久性建筑物組成.主壩為49.0 m高的漿砌塊石重力壩，壩頂位于365.0 m高度處，大壩消能防沖采用挑流的形式進(jìn)行，挑流鼻坎位于332.5 m高度處，壩頂寬度和壩底寬度分別為10.5 m、37.3 m，大壩上游迎水面為0.5 m厚的混凝土防滲面板，上、下游壩坡比分別為1∶0.1、1∶0.65，壩體內(nèi)部設(shè)有2.0×3.0 m的標(biāo)準(zhǔn)廊道.副壩經(jīng)過重建后為14.0 m高的粘土心墻土石壩，壩頂位于365.0 m高度處，頂部寬為5.0 m，上、下游壩坡比分別為1∶2.5、1∶2.0.排水棱體頂部位于355.0 m高處，頂部寬為2.0 m，棱體的上、下游坡比分別為1∶1.0、1∶1.5.粘土防滲心墻頂部位于364. 0 m高度處壩頂中線位置，頂部寬度為3.0 m，兩側(cè)坡度為1：0.3.電站廠房為壩后式廠房，廠房的平面尺寸為44.5 m×11.7 m，廠房內(nèi)設(shè)有3臺(tái)機(jī)組，機(jī)組的安裝高程為319.5 m.電站的進(jìn)水口形式為壩式進(jìn)水口，進(jìn)水口的底板高程為332.0 m，輸水采用單機(jī)單管的方式進(jìn)行.

特征水位如表1所示.

表1 特征水位表Tab.1 Characteristic water level m

1.2 除險(xiǎn)加固

2010年進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，曬口水庫大壩在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了以下問題.

1) 主壩基礎(chǔ)沒有完成設(shè)計(jì)要求的防滲帷幕.已完成的帷幕灌漿孔段，由于巖石破碎栓塞困難，灌漿效果不佳.廊道內(nèi)大部分的排水孔已經(jīng)因?yàn)槎氯仍蚴プ饔?

2) 主壩壩體防滲面板、廊道表面風(fēng)化起殼剝落較嚴(yán)重，裂縫較多，檢測碳化深度值較大.大壩迎水面上的防滲層出現(xiàn)了鋼筋裸露的問題.

3) 主壩下游防洪堤有一段因工程質(zhì)量差已經(jīng)發(fā)生垮塌.

4) 經(jīng)過多年運(yùn)行，在泄流洪水的高水頭沖刷淘蝕作用下，壩腳破壞嚴(yán)重.根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，坡腳壩趾地帶形成了一個(gè)寬15 m，長43 m的沖刷大坑，據(jù)歷年觀測數(shù)據(jù)資料沖刷坑有逐年加深加大趨勢，且距溢流壩腳越來越近，將形成大壩坡腳臨空，危及大壩安全.

5) 由于副壩砌筑的質(zhì)量較差，出現(xiàn)了嚴(yán)重的滲漏問題.

針對(duì)水庫大壩運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的問題，曬口水庫于2014年—2019年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，主要完成的工作有：主壩壩基和壩身分別采用了帷幕灌漿和充填灌漿的方式進(jìn)行了防滲處理；主壩壩基新鉆了排水孔；主壩上游防滲面板及溢流面板進(jìn)行了灌漿補(bǔ)幕堵漏處理；主壩弧門閘墩沖蝕坑及啟閉機(jī)室側(cè)墻頂板裂縫采用化學(xué)灌漿進(jìn)行了處理；主壩下游沖刷坑進(jìn)行了加固處理；增設(shè)了主壩觀測設(shè)施；主壩下游防洪墻進(jìn)行了部分加固及部分重建；疏挖了主壩下游右側(cè)河道；副壩拆除重建；改造防汛公路及防汛倉庫，新建了主、副壩連接道路等.

2 滲流安全評(píng)價(jià)

曬口水庫主壩進(jìn)行了壩體加固及壩基排水孔疏通，根據(jù)《導(dǎo)則》相關(guān)規(guī)定，本文對(duì)除險(xiǎn)加固后的主壩壩體滲流情況及不同工況下的壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算；副壩為拆除重建工程，為復(fù)核新建副壩的實(shí)際滲流性態(tài)能否滿足安全運(yùn)行要求，本文運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)不同工況下的副壩進(jìn)行滲流分析，計(jì)算確定壩體浸潤線、滲流壓力以及防滲體的滲透比降等；對(duì)其他部位的滲流安全性參照規(guī)范進(jìn)行了評(píng)價(jià).

2.1 主壩

壩體方面，經(jīng)過除險(xiǎn)加固，主壩壩體滲水量極小，不存在滲漏問題.壩基方面，取主壩最大斷面作為計(jì)算斷面，對(duì)三種特征水位對(duì)應(yīng)工況下，不同折減條件下的主壩壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，其受力計(jì)算簡圖如圖1所示[6]，揚(yáng)壓力計(jì)算成果見表2.

圖1 主壩受力計(jì)算簡圖Fig.1 Main dam stress calculation diagram

表2 主壩壩基揚(yáng)壓力復(fù)核表Tab.2 Table of main dam foundation uplift pressure review result kN

由表2可以看出，除險(xiǎn)加固前主壩帷幕及排水孔已部分失效，此情況下的壩基揚(yáng)壓力較設(shè)計(jì)明顯增大，約為原設(shè)計(jì)值的1.2～1.5倍，若不加處理，至帷幕及排水孔完全失效時(shí)，壩基揚(yáng)壓力則將進(jìn)一步增大至設(shè)計(jì)值的1.5～2.2倍，嚴(yán)重影響壩體抗滑穩(wěn)定.

曬口水庫大壩經(jīng)過除險(xiǎn)加固后，帷幕及排水均是完好的，揚(yáng)壓力折減系數(shù)恢復(fù)為0.25，與設(shè)計(jì)情況相符，故主壩壩基揚(yáng)壓力滿足要求.

2.2 副壩

2.2.1 計(jì)算斷面及參數(shù) 取副壩最大斷面作為計(jì)算斷面，根據(jù)筑壩材料的不同將斷面分為壩體填筑區(qū)、排水棱體、心墻區(qū)和基巖區(qū)，如圖2所示[7].各區(qū)滲透系數(shù)值見表3.

圖2 副壩滲流計(jì)算斷面尺寸及分區(qū)Fig.2 The section size and zoning diagram of seepage calculation of auxiliary dam

表3 不同分區(qū)的滲透系數(shù)表Tab.3 Table permeability coefficients for different partitions

2.2.2 滲流計(jì)算結(jié)果 運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行滲流分析計(jì)算.FLAC3D已在世界各國得到廣泛應(yīng)用，在業(yè)界久負(fù)盛名，其可以模擬巖土體中的滲流，可以為不同滲透規(guī)律的材料提供不同的滲流模型和滲透參數(shù)，還可以設(shè)置多種邊界條件，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠[8].

經(jīng)過計(jì)算，得到不同工況下副壩孔隙水壓力分布及浸潤線圖如圖3所示.

圖3 副壩孔壓及浸潤線圖(單位：Pa)Fig.3 Diagram of pore pressure and infiltration of auxiliary dam (unit: Pa)

不同工況下，壩體內(nèi)部最大滲流流速和滲透坡降計(jì)算成果如表4所示.

表4 副壩滲流計(jì)算成果表Tab.4 Auxiliary dam seepage calculation results

由圖3及表4計(jì)算結(jié)果可知：副壩滲流壓力變化規(guī)律正常，壩體內(nèi)部最大滲透坡降出現(xiàn)在粘土心墻處，最大滲透坡降值均遠(yuǎn)小于粘土心墻的容許滲透坡降6～8，防滲體的防滲性能及滲透穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求[9].

2.3 其他建筑物

鋼筋混凝土引水發(fā)電輸水管道位于大壩下游壩坡，此前根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，輸水管道與鋼管接頭處存在漏水現(xiàn)象，除險(xiǎn)加固后問題解決，管道無滲漏.

廠房位于大壩下游，河床左側(cè)，基礎(chǔ)巖石為震旦系下統(tǒng)長安組的灰綠色含礫變質(zhì)砂巖，弱風(fēng)化，強(qiáng)度高，無發(fā)育斷層，多年來運(yùn)行良好，暫未見滲漏問題.

2.4 滲流安全評(píng)價(jià)結(jié)論

曬口水庫經(jīng)過除險(xiǎn)加固，主壩防滲和反濾排水設(shè)施趨于完善，通過監(jiān)測資料分析和計(jì)算分析得知，主壩壩基揚(yáng)壓力與設(shè)計(jì)情況相符，壩體無滲漏問題，副壩滲流壓力變化規(guī)律正常，副壩壩體內(nèi)最大滲透坡降(粘土心墻處)小于粘土心墻的容許滲透坡降.綜上所述，根據(jù)《導(dǎo)則》中8.6的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，曬口水庫大壩的滲流安全性定為A級(jí).

由分析可知，發(fā)出存貨計(jì)價(jià)方法的不同直接影響企業(yè)的當(dāng)期損益，進(jìn)而影響企業(yè)所得稅和未分配利潤等指標(biāo)。現(xiàn)金流量表經(jīng)營活動(dòng)產(chǎn)生的現(xiàn)金流出中支付的各項(xiàng)稅費(fèi)包括企業(yè)按照利潤總額的一定比例交納的企業(yè)所得稅，籌資活動(dòng)現(xiàn)金流出中分配股利、利潤或償付利息支付的現(xiàn)金也與當(dāng)期損益的凈利潤有關(guān)，可見發(fā)出存貨計(jì)價(jià)方法的不同也會(huì)直接影響現(xiàn)金流?？傊捎貌煌挠?jì)價(jià)方法，對(duì)三大財(cái)務(wù)報(bào)表都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。同時(shí)也為企業(yè)納稅籌劃提供了空間。

3 結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

曬口水庫主壩為漿砌塊石重力壩，根據(jù)《導(dǎo)則》相關(guān)規(guī)定，需復(fù)核大壩強(qiáng)度及抗滑穩(wěn)定性是否滿足規(guī)范要求，故本文對(duì)不同工況下的主壩壩底正應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算；新建副壩為粘土心墻土石壩，為復(fù)核壩坡穩(wěn)定是否滿足規(guī)范要求，本文利用FLAC3D計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；對(duì)其他相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)安全性參照規(guī)范進(jìn)行了評(píng)價(jià).

3.1 主壩

3.1.1 計(jì)算工況及參數(shù) 主壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算按三種特征水位對(duì)應(yīng)工況進(jìn)行，作用在主壩上的荷載主要考慮壩體自重、壩基揚(yáng)壓力、靜水壓力和淤沙壓力，其所需的計(jì)算參數(shù)如下：淤沙高程：326.5 m，泥沙內(nèi)摩擦角：18°，泥沙浮容重：10 kN·m-3，壩體容重：22.5 kN·m-3，基巖(弱風(fēng)化下部巖石)物理力學(xué)指標(biāo)：f=0.85，c=500 kPa.

揚(yáng)壓力折減系數(shù)α分別按如下3種情況考慮：主壩帷幕及排水孔完好，α=0.25；主壩帷幕及排水孔部分失效，α=0.5；主壩帷幕及排水孔完全失效，無折減.

3.1.2 復(fù)核計(jì)算結(jié)果 壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算按抗剪斷強(qiáng)度進(jìn)行，計(jì)算公式為：

其中，f為大壩砼與基巖面之間的抗剪斷摩擦系數(shù)；C為大壩砼與基巖面之間的抗剪斷凝聚力，單位為kPa；∑W為壩段上作用的力垂直于滑動(dòng)面投影的代數(shù)和，單位為kN；∑P為壩段上作用的力沿滑動(dòng)面投影的代數(shù)和，單位為kN；A為壩段的壩底面積，單位為m2.

壩基面垂直正應(yīng)力

其中，σ1和σ2分別為壩段壩踵和壩趾的垂直正應(yīng)力，單位為kPa；∑W為壩段上作用的荷載在壩 底面上的法向合力，單位為kN；∑M為計(jì)算壩段上作用的荷載在壩底面形心軸的合力矩，單位為kN·m；A為壩段的壩底面積，單位為m2；h為壩段的壩底寬，單位為m；b為壩段的計(jì)算寬度，單位為m.

受力計(jì)算簡圖見2.1中圖1，復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表5.

表5 主壩穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算成果表Tab.5 Main dam stability stress calculation results

根據(jù)大壩運(yùn)行情況及現(xiàn)場檢查，除險(xiǎn)加固后本工程主壩帷幕及排水孔均完好，因此揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.25，由以上分析可知，在各計(jì)算工況下，經(jīng)過除險(xiǎn)加固后的主壩結(jié)構(gòu)均安全.

3.2 副壩

3.2.1 計(jì)算工況及參數(shù) 為核算重建后副壩的壩坡穩(wěn)定性，根據(jù)副壩運(yùn)行的具體情況，本次計(jì)算分析取上游分別為無水、正常蓄水、設(shè)計(jì)洪水、校核洪水，下游均為無水四種工況.

計(jì)算所需的物理力學(xué)參數(shù)如表6所示.

表6 物理力學(xué)參數(shù)表Tab.6 Physical and mechanical parameters table

3.2.2 復(fù)核計(jì)算結(jié)果 采用FLAC3D軟件，利用強(qiáng)度折減法[10]，結(jié)合此前滲流計(jì)算的成果，進(jìn)行壩坡的穩(wěn)定性分析[11].通過計(jì)算，得到不同工況下副壩的最大剪切應(yīng)變率云圖和壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表7所示.

圖4 副壩最大剪切應(yīng)變率云圖Fig.4 The distribution of the maximum shear strain rate of auxiliary dam

表7 副壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Tab.7 Safety factor of anti-slip stability of auxiliary dam slope

由以上圖表可知，正常運(yùn)用條件下規(guī)范允許的最小安全系數(shù)為1.20，無水時(shí)副壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.72>1.20，正常蓄水工況下Fs=1.60>1.20，設(shè)計(jì)洪水工況下Fs=1.59>1.20，均滿足規(guī)范要求；非地震期非常運(yùn)用條件下規(guī)范允許的最小安全系數(shù)為1.10，校核洪水工況下副壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.52>1.10，也滿足規(guī)范要求.綜上可知，新建副壩結(jié)構(gòu)安全.

3.3 其他結(jié)構(gòu)

沖刷坑最大后坡經(jīng)過挑流消能計(jì)算得知為0.24，小于規(guī)范要求的最大值0.33，泄洪消能設(shè)計(jì)基本滿足運(yùn)用要求.增設(shè)護(hù)坦后抗沖刷穩(wěn)定問題得到解決.

閘墩經(jīng)過除險(xiǎn)加固無露筋問題，閘底板裂縫修補(bǔ)后無漏水現(xiàn)象，牛腿完整，其砼強(qiáng)度及保護(hù)層厚度也均滿足規(guī)范要求，是安全可靠的.

下游防洪墻進(jìn)行了部分修補(bǔ)加固及垮塌部位的重建，加固重建后的防洪墻頂部高程為328.0 m，滿足進(jìn)場公路防洪要求.

3.4 結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)結(jié)論

經(jīng)過除險(xiǎn)加固，曬口水庫主壩壩體抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；新建副壩壩坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；主壩下游抗沖刷問題得到解決；加固后的閘墩和牛腿結(jié)構(gòu)安全可靠；加固重建后的下游防洪墻安全可靠.根據(jù)《導(dǎo)則》中9.8的相關(guān)規(guī)定，曬口水庫大壩結(jié)構(gòu)安全可靠，安全性級(jí)別定為A級(jí).

4 大壩安全綜合評(píng)價(jià)

對(duì)大壩安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，大壩安全類別的評(píng)定結(jié)果分為一類壩、二類壩和三類壩.當(dāng)大壩具有完善的監(jiān)測設(shè)施和規(guī)范的管理制度，工程質(zhì)量良好，具有滿足規(guī)范要求的防洪能力，對(duì)滲流、結(jié)構(gòu)安全等各項(xiàng)進(jìn)行復(fù)核后得出的結(jié)果也均滿足規(guī)范要求，大壩定期開展維修和養(yǎng)護(hù)工作，運(yùn)行現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)情況相符，可評(píng)定為一類壩；當(dāng)大壩不具有規(guī)范要求的防洪能力，但滿足水利樞紐工程除險(xiǎn)加固近期非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大壩各部分進(jìn)行復(fù)核后得出的結(jié)果均滿足規(guī)范要求，但工程質(zhì)量存在一定的缺陷，或者不具備完善的監(jiān)測設(shè)施和規(guī)范的管理制度，沒有定期對(duì)大壩進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù)，大壩若想要安全運(yùn)行需要采取一定措施，則評(píng)定為二類壩；當(dāng)大壩不具備上述標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的防洪能力時(shí)，或者大壩質(zhì)量問題比較嚴(yán)重，存在較大安全隱患，不能正常運(yùn)行，則評(píng)定為三類壩.

曬口水庫安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目中對(duì)《導(dǎo)則》要求各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了復(fù)核，大壩具有滿足規(guī)范要求的防洪能力，工程質(zhì)量良好，抗震安全及金屬結(jié)構(gòu)安全滿足相應(yīng)規(guī)范要求，防洪計(jì)算及相關(guān)部分安全評(píng)價(jià)在其他文獻(xiàn)中說明.本文主要對(duì)除險(xiǎn)加固后，水庫大壩滲流安全、結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行復(fù)核分析，結(jié)果顯示均滿足相應(yīng)的規(guī)范要求.但根據(jù)項(xiàng)目其他部分復(fù)核結(jié)果，曬口水庫大壩水文測報(bào)設(shè)施及相應(yīng)監(jiān)測內(nèi)容有待進(jìn)一步補(bǔ)充，檔案管理制度有待進(jìn)一步規(guī)范.參照上述《導(dǎo)則》中的大壩分類具體標(biāo)準(zhǔn)，建議將曬口水庫大壩評(píng)定為二類壩.