某小(1)型水庫安全鑒定中大壩結(jié)構(gòu)復(fù)核分析

趙 鑫

(河北富士工程咨詢有限公司，河北 邯鄲 056001)

1 工程概況

某小(1)型水庫是一座Ⅳ等小(1)型水利工程，主要由大壩、輸水洞、溢洪道等建筑物組成，大壩為粘土心墻壩，壩高32 m，壩頂長178 m，壩頂寬度6.0 m，總庫容520萬m3，是一座集農(nóng)用灌溉、農(nóng)村飲水兼顧下游防洪的綜合水利工程。水庫由原縣農(nóng)業(yè)局于1971年組織設(shè)計施工，1975年完工，當(dāng)時還在推行“三邊”經(jīng)驗，在施工過程中為節(jié)省投資，在心墻填筑至壩高20 m時，當(dāng)時的工委會決定不再作粘土心墻，上部12 m改作均質(zhì)壩，全部用壩左肩土填筑，可以保證大壩質(zhì)量。在1984年和2008年間，水庫進(jìn)行過兩次除險加固，其中，第一次除險加固對大壩22 m以上進(jìn)行了開挖回填處理，并進(jìn)行護(hù)坡整治，加固處理后大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)由原來的200 a一遇洪水校核提高為500 a一遇洪水校核。第二次除險加固對大壩迎水面放緩了二級壩坡，并對前壩坡出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行清除，重新夯填筑加固，壩頂防浪墻拆除重建，后壩坡修整，新修縱向及橫向排水溝各兩條?？偨Y(jié)前后兩次除險加固經(jīng)驗，由于當(dāng)時推行的“三邊”經(jīng)驗，以及當(dāng)時資金和技術(shù)條件的限制，大壩工程質(zhì)量問題一直是該水庫面對的主要問題，本次進(jìn)行安全鑒定時，應(yīng)重點對大壩現(xiàn)狀存在的問題進(jìn)行梳理，并進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)及滲流穩(wěn)定分析，為大壩除險加固提供一手準(zhǔn)確資料，并提出對應(yīng)的加固措施。

2 庫區(qū)及大壩現(xiàn)狀及問題分析

2008年除險加固中庫區(qū)右岸進(jìn)水塔架旁采用漿砌石砌筑，漿砌石擋土墻砌筑表觀質(zhì)量稍差，但無塌落，庫區(qū)岸坡未見塌方或滑坡現(xiàn)象。上游壩坡采用干砌石卵石護(hù)坡，厚度為0.5 m，護(hù)坡干砌石不規(guī)則、零亂，上部有雜草生長，壩坡未見裂縫、坍塌等現(xiàn)象，現(xiàn)狀情況見圖1、圖2。

圖1 庫區(qū)右岸塔架旁擋土墻現(xiàn)狀圖

圖2 上游壩坡現(xiàn)狀圖

壩頂上游側(cè)設(shè)漿砌塊石防浪墻，墻高1.3 m，寬度較均一，輪廓較完整，但有多處裂縫，面層有起皮現(xiàn)象，壩頂?shù)缆蜂佋O(shè)仿石磚，較平整，有雜草生長?，F(xiàn)狀情況見圖3。

圖3 壩頂防浪墻、壩頂?shù)缆番F(xiàn)狀

下游壩坡在高程2227.5 m、2217.5 m各設(shè)寬1 m的平臺，兩側(cè)設(shè)踏步。后壩坡草皮護(hù)坡雜草叢生，排水溝損毀嚴(yán)重，坡腳排水棱體只露出頂部，后壩坡及壩腳未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象?，F(xiàn)狀情況見圖4。

圖4 一級、二級馬道及排水溝現(xiàn)狀

3 大壩安全復(fù)核分析

3.1 大壩邊坡穩(wěn)定復(fù)核分析

(1)計算方法及基本參數(shù)

本次大壩壩坡穩(wěn)定復(fù)核選取大壩最大斷面進(jìn)行分析，大壩邊坡穩(wěn)定計算利用“理正土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序”進(jìn)行計算，用瑞典圓弧法和畢肖普法及JANBU法計算滑裂面的最小安全系數(shù),用瑞典圓弧法畫圖中相應(yīng)的滑弧位置，浸潤線詳見滲流計算[1-2]。壩體土料的物理學(xué)指標(biāo)采用安全評價取樣實驗數(shù)據(jù)，排水棱體力學(xué)指標(biāo)采用經(jīng)驗值，主要計算參數(shù)采用值見表1。

(2)計算工況

通過以往工程經(jīng)驗分析，大壩穩(wěn)定計算按以下工況進(jìn)行，計算時假設(shè)各種工況下能形成穩(wěn)定滲流，計算工況如下：

表1 主壩填土物理力學(xué)指標(biāo)

①正常蓄水位(2233.40 m)，下游無水時上、下游壩坡的穩(wěn)定情況；②校核洪水位(2236.20 m)，下游無水時上、下游壩坡的穩(wěn)定情況；③正常蓄水位(2233.40 m)，下游無水時，遇Ⅷ度地震時上、下游壩坡的穩(wěn)定情況；④庫水位從正常蓄水位(2233.40 m)驟降至死水位2213.40 m時，上游壩坡的穩(wěn)定計算。

在以上四種工況下，上、下游壩坡最小安全系數(shù)見表2，滑弧位置見圖5、圖6。

圖5 大壩上下游邊坡穩(wěn)定計算滑弧位置圖(正常蓄水位遇7度地震)

圖6 水庫大壩上游邊坡穩(wěn)定計算滑弧位置圖(水位驟降)

表2 大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

水庫大壩建筑物為Ⅳ等小(1)型工程，建筑物級別為4級，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定[3-4]，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)在正常運用條件下應(yīng)≥1.25，在非常運用條件下應(yīng)≥1.15及1.1。根據(jù)以上計算結(jié)果，上下游壩坡在各種計算條件下的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足規(guī)范要求。

3.2 大壩滲流穩(wěn)定復(fù)核分析

本工程現(xiàn)狀無任何滲流監(jiān)測設(shè)施，水庫滲流監(jiān)測無法有效開展，通過近十年巡視檢查記錄分析，大壩背水坡及壩址無滲水坑、流土、管涌等現(xiàn)象。由于心墻直接坐落在棕紅色礫巖上，基巖及岸坡段無滲漏問題，重點進(jìn)行壩體滲流分析計算，計算采用Autobank7.5滲流軟件[5-6]，結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，滲流計算分以下兩種工況進(jìn)行：

(1)正常蓄水位(2233.40 m)與下游最低水位；(2)校核洪水位(2236.20 m)與下游最低水位。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，壩殼填筑料滲透系數(shù)垂直方向6.07×10-6cm/s，水平方向5.14×10-6cm/s，粘土心墻滲透系數(shù)垂直方向5.12×10-6cm/s，水平方向4.52×10-6cm/s。Autobank進(jìn)行滲流計算時采用節(jié)點流量平衡法通過迭代計算自動確定浸潤線位置和滲流量，最終計算得到壩體的滲流穩(wěn)定成果見表3，經(jīng)滲流有限元計算，正常和校核水位壩體內(nèi)水力比降見圖7和圖8。

(a)校核洪水位2236.2 m水力坡降等值線圖

(b)校核洪水位2236.2 m水頭等值線圖

圖8 正常蓄水位2233.4 m水力坡降等值線圖

表3 兩種工況下壩體滲流穩(wěn)定計算結(jié)果表

從滲流比降圖7(a)和圖8可以看出，坡降較高的部位集中在心墻內(nèi)部，大壩下游部位極低，下游壩基滲流穩(wěn)定，不會發(fā)生滲透破壞。通過滲流穩(wěn)定分析計算，壩體溢出點滲透坡降小于允許滲透坡降，正常蓄水位時壩體滲漏量為7.48 m3/d，滲漏量低；下游壩坡溢出點在排水棱體內(nèi)，排水棱體與壩體間設(shè)有反濾層，滲流穩(wěn)定?？傊?，滲透坡降小于允許坡降，下游壩基滲流穩(wěn)定，不會發(fā)生滲透破壞。

4 大壩除險加固設(shè)計

依據(jù)大壩安全鑒定結(jié)論，大壩結(jié)構(gòu)無明顯的位移、裂縫，大壩變形穩(wěn)定，不存在危及大壩安全的異常變形，大壩上下游邊坡抗滑穩(wěn)定、上游護(hù)坡滿足規(guī)范要求，附近岸坡穩(wěn)定，不危及大壩安全。通過滲流穩(wěn)定分析計算，壩體溢出點滲透坡降小于允許滲透坡降，正常蓄水位時壩體滲漏量為7.48 m3/d，滲漏量低；下游壩坡溢出點在排水棱體內(nèi)，排水棱體與壩體間設(shè)有反濾層，滲流穩(wěn)定。綜合評價確定水庫滲流安全為A級。因此，本次大壩除險加固僅針對影響大壩安全和發(fā)揮效益的主要建筑物進(jìn)行改造，本次對后壩坡排水溝進(jìn)行拆除重建方案，具體方案如下：

(1)由于大壩迎水面目測無裂縫及坍塌，護(hù)坡干砌石雖不規(guī)則、較零亂，但不影響壩體穩(wěn)定及安全運行，對部分上部雜草管理單位加強清除即可。

(2)經(jīng)本次除險加固現(xiàn)場調(diào)查，壩頂防浪墻局部雖有小裂縫、起皮現(xiàn)象，但不影響防浪墻結(jié)構(gòu)安全，本次暫不做加固方案。

(3)后壩坡雜草建議加強管理，及時除草。

(4)本次大壩除險加固重點對排水溝進(jìn)行加固。由于壩體后壩坡排水溝損毀嚴(yán)重，影響排水。為滿足大壩后壩地面排水的要求，保證大壩壩體安全，大壩后壩坡原設(shè)計有兩道排水溝，本次設(shè)計將現(xiàn)狀損毀排水溝拆除，在原有排水溝位置拆除重建排水溝。排水溝斷面為矩形，寬度40 cm，深度50 cm，采用現(xiàn)澆C20混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌厚度15 cm。

5 結(jié)論及建議

本文通過現(xiàn)場檢查和大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核，得到大壩壩坡穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)場檢查得到大壩上、下游壩坡面護(hù)坡不規(guī)整、雜草叢生，防浪墻存在裂縫、起皮現(xiàn)象，均不影響大壩結(jié)構(gòu)安全及運行，大壩存在的主要問題是下游排水溝損毀嚴(yán)重，影響排水，以及坡腳排水棱體遭到填埋，只露出頂部，影響滲流。因此本次除現(xiàn)加固重點對上下游護(hù)面進(jìn)行除草清理，以及下游兩條沖毀的排水溝進(jìn)行拆除重建，后期應(yīng)加強水庫的運行管理和監(jiān)測。