王家廠水庫大壩基于風(fēng)險(xiǎn)分析的加固時(shí)機(jī)研究

熊思星，張貴金，雷 勇，楊博石，李 毅

（1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙410114；2.常德市水利局，湖南 常德415000）

引言

2015年6月，國際大壩委員會(huì)統(tǒng)計(jì)了世界58 266座水庫大壩，土石壩占比高達(dá)63%；在中國土石壩的比重更高達(dá)95%以上[1]。國內(nèi)大部分土石壩興建于20世紀(jì)50—70年代，許多水庫設(shè)計(jì)不夠合理，考慮影響因素不夠全面完善，勘測施工狀況差，已經(jīng)達(dá)到或即將到達(dá)正常使用年限，存在不同程度的病險(xiǎn)。雖然近10年來我國進(jìn)行了大規(guī)模的除險(xiǎn)加固，但依然存在眾多風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)病險(xiǎn)土石壩進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)大壩的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)危險(xiǎn)部位進(jìn)行改進(jìn)，十分具有現(xiàn)實(shí)意義。

將風(fēng)險(xiǎn)分析理論和方法應(yīng)用于安全管理實(shí)踐當(dāng)中[2]：襲瑞瑞、黃海龍等[3]探索了大壩安全風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定的有關(guān)問題；周克發(fā)、袁輝等[4]提出了以病害指數(shù)衡量大壩病害程度，將水庫大壩潰決可能性劃分為相應(yīng)的5個(gè)等級(jí)；羅國武、區(qū)軍雄等[5]建立了考慮設(shè)計(jì)參數(shù)模糊性和失效準(zhǔn)則模糊性的壩坡失穩(wěn)模糊風(fēng)險(xiǎn)模型，采用現(xiàn)有傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法計(jì)算土石壩的失事概率；楊建平等[6]對(duì)小凈距隧道在不同荷載釋放比例下不同支護(hù)時(shí)機(jī)的圍巖穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究分析；楊靈等[7]對(duì)隧道開挖后不同釋放荷載系數(shù)下施加支護(hù)的效果進(jìn)行了分析，表明釋放荷載系數(shù)為60%～70%是理論最佳支護(hù)時(shí)機(jī)；張建海等[8]基于脆性圍巖的“適時(shí)加固”思想以及地下工程時(shí)效變形特征，提出了最優(yōu)支護(hù)時(shí)機(jī)的近似計(jì)算公式。

王家廠水庫是一座運(yùn)行了60多年的大（Ⅱ）型水庫，由于研究深度不夠，除險(xiǎn)加固后依然存在眾多病險(xiǎn)，十分有必要對(duì)其病險(xiǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，開展風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出除險(xiǎn)加固時(shí)機(jī)。

1 大壩病險(xiǎn)現(xiàn)狀

王家廠水庫興建于1958年，經(jīng)歷兩次加高培厚，至2007年6月底除險(xiǎn)加固全面竣工。由于當(dāng)時(shí)各方面條件的限制，設(shè)計(jì)不夠合理，施工存在問題，2018年經(jīng)勘察，發(fā)現(xiàn)存在多處病險(xiǎn)：

1）溢洪道堰體出現(xiàn)裂縫、側(cè)墻高度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求、弧形閘門銹蝕嚴(yán)重、起閉設(shè)備老化，特別是進(jìn)口明渠邊坡破壞嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 大壩進(jìn)口明渠邊坡現(xiàn)狀

2）壩體填土質(zhì)量差，69～72 m標(biāo)高以下合格率僅為70%，72 m標(biāo)高以上合格率僅60%。受工藝限制，壩體壓實(shí)度小于98%，含水量偏高，不滿足規(guī)范要求。

3）主壩上游壩坡整體變形較大，局部大變形處于正常水位以下，導(dǎo)致護(hù)坡六棱塊沉陷破壞，如圖2所示。壩頂存在一條沿壩軸線貫通的裂縫，如圖3所示。

圖2 大壩局部大變形現(xiàn)狀

圖3 壩頂貫通的裂縫現(xiàn)狀

2 水庫大壩漫頂風(fēng)險(xiǎn)

1）基本資料。水庫位于湖南省澧縣澧水支流涔水干流中游，灌溉面積35萬畝，壩址以上集雨面積484 km2，兼顧防洪、發(fā)電和養(yǎng)殖等綜合效益。保壩洪水位86.65 m，設(shè)計(jì)洪水位84.10 m，正常蓄水位82.60 m，汛限水位為80.00 m。水庫汛期4—9月平均最大風(fēng)速12.5 m/s，主壩上游臨水坡坡比為1∶2.5。

2）風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。用Z代表壩前水位，H代表壩頂高程，漫頂事件可表示為Z>H。壩前水位Z的影響因素主要有：起調(diào)水位Z0、洪水作用增加的水位L、風(fēng)荷載作用引起的壩前水位風(fēng)壅高度e和波浪爬高R。洪水漫頂事件發(fā)生的概率Pf表示為[9～10]：

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因子量化的相關(guān)公式，將與水庫大壩漫頂風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)因子的不確定性量化，具體特征值見表1。

表1 部分工況漫頂風(fēng)險(xiǎn)因子的特征值

漫頂風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果見表2。

表2 不同水位下漫頂風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算結(jié)果

由表2可知：水庫漫頂風(fēng)險(xiǎn)概率小，壩頂無需加高，高程滿足現(xiàn)行規(guī)范的防洪要求。但需修復(fù)支護(hù)溢洪道進(jìn)口明渠邊坡，更換啟閉設(shè)施，防護(hù)流道建筑物，確保安全泄洪。

3 主壩變形穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)分析

1）計(jì)算條件?；谠O(shè)計(jì)、施工資料以及壩址地質(zhì)地貌信息等，建立王家廠水庫土石壩三維整體有限元模型，如圖4、圖5所示，河床壩段地基邊界：沿壩體壩踵和壩趾分別向上、下游截取200 m，深度方向延伸50 m。采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算壩坡穩(wěn)定。

圖4 大壩材料分區(qū)模型

圖5 大壩網(wǎng)格劃分模型

2）參數(shù)反演。依據(jù)2003年監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用各向異性模型進(jìn)行反演分析，得壩體材料參數(shù)如表3。

表3 土石壩壩體材料參數(shù)表

3）時(shí)序變形的風(fēng)險(xiǎn)趨勢。通過逐步折減土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直到邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)為止，此時(shí)得到的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)值Fs。對(duì)彈性模量折減，見式（3）；折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′和φ′如下：

依據(jù)2005年、2008年、2012年、2015年監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別完成參數(shù)反演。依時(shí)序?qū)Σ煌r進(jìn)行有限元計(jì)算得到主壩變形特性，從主壩三維有限元模型中考察3個(gè)典型剖面如圖5。異常沉降部位截取剖面1，最靠近異常沉降部位的觀測點(diǎn)部位截取剖面2，主壩最寬處部位截取剖面3。

剖面2正常蓄水位82.6 m情況下的結(jié)果如表4。

表5和圖6計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測值對(duì)比表明，不同年限的監(jiān)測值和變形計(jì)算值誤差較小，均不超過5%，表明反演確定的參數(shù)基本吻合大壩的整體變形，數(shù)值分析結(jié)果可信。

表4 剖面2不同年限計(jì)算值數(shù)值對(duì)比表

表5 剖面2監(jiān)測值和變形計(jì)算值對(duì)比表

圖6 不同年限作用下材料折減系數(shù)K1值

將反演所得參數(shù)與2003年反演所得參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得到相關(guān)材料折減系數(shù)K1。土石壩壩體位移最大值、應(yīng)力最大值呈增大趨勢，計(jì)算值雖在規(guī)范內(nèi)，但壩體按時(shí)序的變形風(fēng)險(xiǎn)在不斷加大。

基于材料折減系數(shù)K1趨勢圖，推測2018年壩體材料折減系數(shù)為1.541，計(jì)算2018年王家廠水庫在正常蓄水位82.6 m條件下變形情況如表6。

表6 2018年正常變形不同工況計(jì)算值

4）局部高風(fēng)險(xiǎn)趨勢。2018年現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)壩體局部大變形，沉陷部位相對(duì)壩體下沉約4 cm，推測該部位由于填筑質(zhì)量差，在滲透作用下產(chǎn)生異常沉降。對(duì)異常沉降部位材料參數(shù)二次折減，在正常蓄水位82.6 m條件下結(jié)果如表7和表8。

表7 剖面1異常沉陷部位變形計(jì)算值對(duì)比表

表8 2018年異常變形不同剖面計(jì)算值

4 除險(xiǎn)加固時(shí)機(jī)

1）變形預(yù)測模型。參考圖6，材料折減系數(shù)K1變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其隨時(shí)間變化的擬合表達(dá)式：

計(jì)算得出2030年壩體材料折減系數(shù)為1.699。利用折減系數(shù)，選取不同工況，預(yù)測2030年王家廠水庫變形情況，結(jié)果如表9。

表9 2030年不同工況計(jì)算值對(duì)比表

由表9可知：壩頂垂直位移、水平位移最大值隨水位的增加呈增大趨勢；壩體總位移、壩內(nèi)最大壓應(yīng)力和最大壓應(yīng)力值也呈增加趨勢。

基于變形計(jì)算值，預(yù)測壩體剖面2垂直位移最大值，對(duì)比異變前、異變后位移變化如圖7。

圖7 不同年限作用下剖面2垂直位移最大值

對(duì)時(shí)間t和剖面2垂直位移最大值采用指數(shù)衰減擬合，得最大位移隨時(shí)間變化的模型：

2）加固時(shí)機(jī)。對(duì)比壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)規(guī)范值，反演得到折減系數(shù)K1為1.82時(shí)，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，確定此時(shí)為最佳加固時(shí)機(jī)，計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

通過擬合公式反推安全系數(shù)臨界值，理論上可選擇2045年作為加固時(shí)機(jī)，此時(shí)水庫變形情況計(jì)算數(shù)值見表11。

表11 2045年不同剖面計(jì)算值對(duì)比表

5 結(jié)論與對(duì)策

1）水庫高程及泄洪能力滿足現(xiàn)行規(guī)范的防洪要求，但需修復(fù)支護(hù)溢洪道進(jìn)口明渠邊坡，更換啟閉設(shè)施，防護(hù)流道建筑物，確保安全泄洪。

2）壩體目前存在整體變形與局部異常變形，計(jì)算表明依時(shí)序變形的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，最大位移均出現(xiàn)在上游同一高度區(qū)域，會(huì)影響壩體整體穩(wěn)定安全；局部高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域變形會(huì)影響上游壩坡穩(wěn)定。

3）雖然變形預(yù)測評(píng)價(jià)尚有時(shí)間裕度，但為安全起見，大壩加固宜早實(shí)施。建議增加壩基地質(zhì)缺陷探查，并對(duì)壩體采取灌注黏土水泥類材料，提高密實(shí)度，控制變形。