郎沖畈水庫安全復(fù)核研究

文小鎖

（銅陵南部城區(qū)建設(shè)管理委員會，安徽 銅陵 244000）

1 引言

水庫安全對下游居民以及重要建筑物的安全有較大的影響[1，2]。早期修建的水庫，受限于當(dāng)時的經(jīng)濟、技術(shù)水平，水庫施工質(zhì)量較為低下，導(dǎo)致水庫安全不滿足現(xiàn)狀需求[3，4]。針對早期修建的水庫，對其安全情況進行復(fù)核是十分必要的，可為水庫除險加固工程提供參考。結(jié)合郎沖畈水庫工程，對水庫安全復(fù)核進行分析。

郎沖畈水庫位于銅陵市郊區(qū)大通鎮(zhèn)金華境村內(nèi)，距銅陵市區(qū)7 km，屬長江流域順安河水系，集水面積2.00 km2。水庫設(shè)計灌溉面積0.07萬畝，有效灌溉面積0.05萬畝。水庫下游防洪保護范圍有中安客運專線、銅九鐵路、沿新大道和佘家村、竹園里村、墩上村、大院村等村莊，防洪保護農(nóng)田0.12萬畝，保護人口0.15萬人。水庫現(xiàn)狀壩頂高程50.7 m(吳淞高程，下同)，興利水位49.3 m，興利庫容16.3萬m3，原總庫容29.5萬m3。

2 水庫防洪復(fù)核

2.1 水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)

郎沖畈水庫原設(shè)計總庫容29.5萬m3，本次復(fù)核總庫容29.84萬m3。防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計、300年一遇洪水校核。工程等別為Ⅴ等，主要水工建筑物為5級。

2.2 起調(diào)水位

郎沖畈水庫是以灌溉為主，同時具有防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益的?、嫘退畮臁Ｋ畮斓钠鹫{(diào)水位采用原設(shè)計選定的正常蓄水位。郎沖畈水庫在經(jīng)過歷次續(xù)建工程建設(shè)后，壩頂高程達50.40～50.70 m，溢洪道堰頂高程49.30 m。本防洪安全復(fù)核報告不再復(fù)核原興利規(guī)模。其起調(diào)水位采用正常蓄水位49.30 m。

2.3 水庫高程～面積～容積關(guān)系曲線

根據(jù)1∶10 000地形圖，重新對水庫的流域面積和正常蓄水位高程以上的高程～面積～容積關(guān)系進行了量算。

郎沖畈水庫的水位～庫容關(guān)系曲線見圖1。

圖1 郎沖畈水庫水位～容積關(guān)系曲線

2.4 泄洪建筑物水位～流量關(guān)系曲線

郎沖畈水庫的泄洪設(shè)施只有正常溢洪道(本水庫無非常溢洪道)，1座灌溉放水涵主要用于灌溉放水，其放水規(guī)模較小，不考慮其泄洪作用。

郎沖畈水庫溢洪道位于水庫大壩左端，是郎沖畈水庫唯一的泄洪建筑物。溢洪道為寬頂堰，堰頂高程49.30 m，堰寬12.0 m。

溢洪道水位～泄量關(guān)系見表1。

表1 郎沖畈水庫水位～庫容積～泄量關(guān)系表

2.5 水庫的防洪要求及調(diào)度運用方式

郎沖畈水庫的開發(fā)任務(wù)以灌溉為主，在原設(shè)計和續(xù)建工程建設(shè)中，均未考慮為下游防洪控制水庫的泄量問題。水庫放水涵主要作用為灌溉放水，不參與水庫的泄洪。溢洪道為開敞式泄洪建筑物，因此，郎沖畈水庫的調(diào)度運用方式為：當(dāng)水庫水位達到正常蓄水位49.30 m時，溢洪道自行泄洪，以確保水庫大壩安全。

2.6 調(diào)洪計算成果

根據(jù)上述擬定的調(diào)洪演算原則及本次復(fù)核的水庫容積關(guān)系曲線、泄洪建筑物泄量關(guān)系曲線和設(shè)計洪水成果進行水庫調(diào)洪演算，成果見表2。其中20年一遇洪水位50.25 m，300年一遇洪水位51.04 m。

表2 郎沖畈水庫調(diào)洪演算成果表

本次調(diào)洪演算設(shè)計洪水與校核洪水成果與原設(shè)計成果比較見表3。

表3 兩次調(diào)洪演算成果表

從對比結(jié)果可以看出，原設(shè)計成果相比較，本次復(fù)核成果20年一遇設(shè)計洪水位比較原設(shè)計水位低0.14 m，300年一遇校核洪水位與原設(shè)計水位比較接近，主要原因有：⑴洪水計算辦法不同；⑵流域特征值與原設(shè)計略有出入。

3 大壩安全復(fù)核

3.1 滲流安全復(fù)核

3.1.1 壩體滲透破壞類型的判別

利用本次勘探試驗成果，對壩身填土的滲透變形類型及滲透破壞可能性進行判別。符合下列條件則為流土破壞，反之，為管涌破壞。

其中：n土的孔隙率，取n=0.775；Pc土的細粒顆粒含量；

對連續(xù)級配的土，土的細顆粒界限粒徑df按下式計算：

式中：d70、d10分別占總土重的70%和10%的土粒粒徑。

流土型土采用下式計算土的臨界水力坡降：

式中：Jcr—土的臨界水力坡降；Gs—土的顆粒密度與水的密度之比（土粒比重）；n—土孔隙率；

管涌型土采用下式計算土的臨界水力坡降：

式中：d5、d20分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑；Jcr—土的臨界水力坡降；Gs—土的顆粒密度與水的密度之比（士粒比重）；n—土的孔隙率；

各土層允許滲透坡降［J］以土的臨界坡降除以2.0的安全系數(shù)，計算結(jié)果見表4。

表4 壩身填土的滲流臨界坡降計算值

3.1.2 滲流穩(wěn)定計算

（1）計算斷面選取

郎沖畈水庫大壩壩頂長290 m，綜合考慮地形地貌，壩身高度及壩基、壩身填土條件、實際發(fā)生滲漏及滑坡險情等情況，選取較不利的大壩中部1個代表斷面作為計算斷面，進行大壩滲流穩(wěn)定復(fù)核計算。

（2）計算參數(shù)選取

通過對各地質(zhì)鉆孔土層出露的綜合分析，取各土層的滲透系數(shù)值于表5。

表5 壩身土體滲透系數(shù)取值

（3）滲流穩(wěn)定計算

采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBank河海大學(xué)工程力學(xué)研究所)進行壩身及壩基的滲流穩(wěn)定計算。計算工況在穩(wěn)定滲流期分正常運用和非正常運用兩種情況，計算工況和上下游水位見表6。

表6 現(xiàn)狀壩坡滲流穩(wěn)定計算工況及水位

經(jīng)計算，滲流出逸點高度、單寬滲透流量及各種工況壩坡出逸坡降值計算結(jié)果，見表7，繪制的等勢線見圖2。

表7 現(xiàn)狀大壩抗?jié)B穩(wěn)定核算成果表

（4）計算結(jié)果分析

壩坡水平滲透坡降值在0.31～0.32之間，垂直滲透坡降值0.29。根據(jù)地質(zhì)報告，粉質(zhì)粘土在其出口段允許坡降：水平為0.25～0.35，垂直為0.25～0.36。典型剖面的水平滲透坡降、垂直滲透坡降均能夠滿足規(guī)范要求。

由于壩體土層滲透性較強，在正常及非常運用時，計算壩體內(nèi)浸潤線偏高，下游壩面出逸點高程較高(壩腳以上3.98～4.25 m)。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)滲漏最高出逸點在平臺附近，與計算結(jié)果基本一致。

綜上，大壩下游壩面滲流出逸點位置較高，大壩容易發(fā)現(xiàn)流土破壞等險情，因此，應(yīng)采取工程措施予以加固處理。

圖2 總水力坡降等勢線圖

3.2 壩坡穩(wěn)定性復(fù)核

3.2.1 穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定計算

（1）計算工況

結(jié)合本壩特性，計算工況在穩(wěn)定滲流期分正常運用和非正常運用兩種情況組合，主要是計算壩體的下游壩坡穩(wěn)定，主要計算工況和上下游水位見表8。

表8 穩(wěn)定滲流期的壩坡穩(wěn)定計算工況和水位

（2）浸潤線計算

浸潤線計算采用滲流有限元進行計算，分別計算水庫在設(shè)計洪水位和校核洪水位時的滲流情況。

（3）計算成果

壩體邊坡的穩(wěn)定采用瑞典圓弧法進行計算，大壩穩(wěn)定計算成果見表9。從表中可以看出，代表斷面處壩體下游壩坡在各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表9 穩(wěn)定滲流情況壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2.2 非穩(wěn)定滲流期壩坡穩(wěn)定計算

（1）計算工況

非穩(wěn)定滲流期與穩(wěn)定滲流期相同，計算工況分正常運用和非正常運用兩種情況組合。主要是計算壩體的上游壩坡穩(wěn)定，各種計算水位主要考慮從校核洪水位～正常蓄水位、設(shè)計洪水位～正常蓄水位及正常蓄水位～死水位間的驟降，主要計算工況和上下游水位見表10。從表中可以看出，在各種工況下，非穩(wěn)定滲流條件下大壩壩坡是安全的。

表10 非穩(wěn)定滲流情況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結(jié)論

（1）根據(jù)郎沖畈水庫現(xiàn)狀防洪復(fù)核結(jié)果可知，水庫現(xiàn)狀無法滿足防洪需求，主要原因是泄洪建筑物泄洪能力不足，因此，水庫泄洪建筑物需采取除險加固工程設(shè)計。

（2）通過對大壩安全和滲流情況復(fù)核驗算，現(xiàn)狀壩坡穩(wěn)定性不同條件下均可滿足規(guī)范要求，滲流結(jié)果表明：水平滲透坡降、垂直滲透坡降均滿足要求，但大壩出逸點較高易出現(xiàn)流土破壞，大壩需采取防滲加固措施。