小堡子水庫大壩安全評價

全貞蓉

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 基本概況

1.1 工程概況

靜寧縣小堡子水庫位于紅寺河右岸細巷鄉(xiāng)小堡子村小堡子溝，壩址距縣城26 km，是一座以灌溉為主，兼有防洪功能的IV等小(1)型水庫，壩址以上控制流域面積11.86 km2，主溝道長6.3 km，溝道縱坡比降2%。水庫于1977年1月開工建設，1981年建成蓄水，經(jīng)除險加固設計后總庫容為140.5萬m3，防洪標準按30 a一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。

小堡子水庫大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)最大斷面壩高33 m，壩頂高程為1702.54 m，最大壩高斷面壩頂寬6 m，壩體上游邊坡坡比為1∶3，壩下游馬道以上坡比為1∶3，馬道以下坡比為1∶3.8，下游坡馬道寬為2 m，馬道頂高程為1691.04 m。上游壩面為六邊形砼預制板鋪成，下游壩面草皮護坡。

輸水泄洪洞位于大壩右肩，為圓拱直墻式斷面，進水段左、右邊墻砼外觀完好；渠為梯形渠，底板有淤泥、雜草叢生。進口底板高程1691.74 m，底寬1.5 m，邊墻高1.3 m，洞頂半徑0.75 m。最大泄流量13.4 m3/s。輸水泄洪洞洞身段局部損壞，出口砼右側有開裂，破損。明渠段消力池淤積嚴重。輸水泄洪洞進口基本堵死，對水庫的安全泄洪構成了一定的威脅。

溢洪道布置于壩體右岸壩肩部位，基礎坐落在黃土層上，進口至陡坡段為2.2 m×3.55 m的矩形暗渠，陡坡至出口段為1.8 m×2.1 m的矩形暗渠，暗渠為現(xiàn)澆混凝土襯砌。渠出口建筑垃圾封堵嚴重，消力池內(nèi)淤積嚴重，且長滿雜草。

1.2 工程存在的主要問題

(1)水庫原設計僅為20年一遇設計，200年一遇校核，不滿足規(guī)范30年～50年一遇設計，300年～1000年一遇校核的要求，加之水庫淤積，防洪庫容下降，防洪能力不足。

(2)大壩上、下游壩坡均有裂縫、沖刷坑和滑塌坑，且壩體內(nèi)有空洞。

(3)輸水洞洞身段局部破壞，同時消力池段淤積嚴重。

(4)輸水洞閘門破損、啟閉機銹蝕嚴重，止水橡皮老化，不能正常工作。

(5)無大壩觀測設備和通訊設備。

(6)上壩道路狹窄，雨季車輛難以通行。

(7)水庫管理所辦公設施落后，缺乏必要的防汛搶險工具，無法滿足運行管理和防洪需要。

2 大壩運行管理評價

小堡子水庫的建設經(jīng)歷了初建、加固維修和配套工程建設三個時期。自建成運行至今，因庫區(qū)淤積嚴重，管理體制不健全，基本上沒有進行常年看管，庫區(qū)維持空庫運行。

大壩運行至今，由于水庫淤積嚴重，壩前實際淤積高程已達到1693.00 m左右，高于輸水泄洪洞底板，輸水涵管淤塞堵死，無法參與泄洪。水庫目前沒有水文監(jiān)測、位移、浸潤線、滲流觀測等科學的觀測手段，水庫管理所設置簡易雨量站1個，只開展實時雨情，人工巡查等監(jiān)測。水庫能按照審批的調(diào)度規(guī)程進行調(diào)度運用，各項規(guī)章、制度較齊全并得到落實，水文測報及通信設施基本完備。運行管理評價結論為“較規(guī)范”。

3 大壩防洪標準復核

工程等級屬Ⅳ等小(1)型水庫，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。水庫防洪標準為30 a一遇設計，相應洪峰流量為72 m3/s；300 a一遇校核，相應洪峰流量為165.0 m3/s。

小堡子水庫的泄水建筑物包括輸水泄洪洞和溢洪道。

輸水泄洪洞位于右壩肩，為城門洞形無壓洞，水庫輸水洞經(jīng)過2008年除險加固工程后，因庫區(qū)淤積嚴重，將輸水涵管淤塞堵死，現(xiàn)失去輸水功能。

溢洪道在壩右肩山體增設開敞式溢洪道，進水渠地板、寬頂堰堰頂高程1696.85 m，底寬2.2 m，溢洪道最大泄流能力27.8 m3/s。

小堡子水庫壩址附近無水文站及氣象站，水庫建成后也未進行水庫水文測驗，不能采用實測資料分析推求設計洪水，經(jīng)調(diào)查近二十年小堡子水庫很少發(fā)洪水，洪峰流量較小，平時溝道基本干涸，采用暴雨資料進行設計洪水復核。大壩壩頂復核成果見表1。

表1 壩頂超高計算成果表 單位：m

計算結果表明，壩頂超高由非常運行條件下校核洪水位工況控制，小堡子現(xiàn)狀壩頂高程滿足現(xiàn)行《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274-2001)要求。

小堡子水庫防洪標準按30 a一遇洪水設計，300 a一遇洪水校核，滿足《防洪標準》(GB 50201-2014)及《水利水電工程等級及洪水標準》(SL 252-2017)的有關規(guī)定。計算后，小堡子現(xiàn)狀壩頂高程滿足校核洪水位所需的高程要求。

綜上所述，小堡子水庫大壩防洪能力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，大壩防洪能力安全評價結論為“安全可靠A級”。

4 工程質(zhì)量評價

1)水庫岸坡全為土質(zhì)岸坡，局部庫岸存在坍岸現(xiàn)象。庫區(qū)淤積嚴重，有效庫容極小，基本處于干庫狀態(tài)，失去了灌溉功能，防洪功能也減弱了。淤積物來源主要有固體泥流和庫岸坍塌。

2)水庫壩體填筑質(zhì)量差，填筑土體密實程度低，且填筑不均勻；壩體及壩基不存在滲漏及滲流穩(wěn)定問題；左、右壩肩與壩體銜接部位易產(chǎn)生不均勻沉降。

3)小堡子水庫泄洪及引水建筑物質(zhì)量良好，滿足水庫運行要求。存在輸水洞進口基本被堵死，需人工清淤才能保證輸水洞運行。庫區(qū)淤積嚴重，壩肩與壩體銜接部位易產(chǎn)生不均勻沉降。

4)小堡子水庫運行管理房院內(nèi)地面混凝土有細小裂縫、院墻墻體有沉陷、開裂情況，需對管理房進行維修加固。

5 大壩抗震穩(wěn)定安全評價

土壩抗震穩(wěn)定分析的計算目的是復核土壩在自重、滲透壓力、孔隙水壓力和地質(zhì)動水壓力、地震動土壓力等的作用下，壩坡應具有足夠的穩(wěn)定性，不致發(fā)生通過壩體或壩體與壩基接觸面的整體剪切破壞。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)，本地區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。

5.1 計算參數(shù)

本次穩(wěn)定計算參數(shù)選取將主要依據(jù)水庫安全鑒定工程地質(zhì)報告，計算采用數(shù)值均取平均值。壩體填筑材料物理力學參數(shù)見表2。

表2 現(xiàn)狀主壩填筑材料物理力學指標表

5.2 計算結果

根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(SL 203-97)的規(guī)定，水庫大壩壩坡穩(wěn)定計算采用理正巖土計算6.0版邊坡穩(wěn)定分析計算，依據(jù)《碾壓土石壩設計規(guī)范》采用圓弧滑動法尋找最危險滑動面，計算結果見圖1及表3。

圖1 大壩抗震計算圖

表3 主壩抗震穩(wěn)定分析計算成果表

經(jīng)計算，大壩抗震穩(wěn)定性不滿足《水工建筑物抗震設計標準》(GB 51247-2018)要求。綜上所述，小堡子水庫大壩抗震結構整體穩(wěn)定性不滿足相關規(guī)范要求，大壩抗震安全評定結論為“不安全C級”。

6 大壩滲流安全評價

小堡子水庫樞紐由大壩、輸水泄洪洞及溢洪道組成，大壩為黃土均質(zhì)壩。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，小堡子水庫未設置監(jiān)測設備，壩后也無量水堰，由于本水庫監(jiān)(觀)測資料甚少，因此，本次評價采取現(xiàn)場檢查法和計算分析法相結合的方法進行滲流評價。

通過現(xiàn)場檢查及運行過程中并未發(fā)現(xiàn)滲流異?，F(xiàn)象，現(xiàn)狀下游壩腳處無排水棱體，無法降低壩體浸潤線，致使壩體滲流逸出點較高。

壩體滲流穩(wěn)定分析采用理正巖土6.0版滲流問題有限元分析系統(tǒng)，采用有限元法。通過計算分析，防滲材料允許值高于壩體壩基滲透坡降，不存在滲透穩(wěn)定性問題。大壩滲流安全評價結論為“基本安全B級”，存在缺陷。

7 結構穩(wěn)定安全評價

7.1 計算參數(shù)的確定

結合水庫工程特點，計算參數(shù)依據(jù)水庫安全鑒定工程地質(zhì)報告，計算數(shù)值采用平均值。詳細數(shù)據(jù)見表4。

表4 壩體材料滲透系數(shù)

7.2 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274-2001)，壩坡抗滑穩(wěn)定計算應采用剛體極限平衡法，對于均質(zhì)壩宜采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。

1)正常蓄水位穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡(要求安全系數(shù)>1.25)；

2)校核洪水位穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡(要求安全系數(shù)>1.25)。

各工況水位組合見表5。

表5 大壩滲流計算工況表

7.3 計算公式及結果

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274-2001)規(guī)定，圓弧滑動穩(wěn)定可按下式簡化畢肖普法計算：

計算斷面取最大斷面，最大斷面壩高33 m，壩頂高程為1702.54 m，最大壩高斷面壩頂寬6 m，壩體上游邊坡坡比為1∶3，壩下游馬道以上坡比為1∶3，馬道以下坡比為1∶3.8，下游坡馬道寬為2 m。壩坡穩(wěn)定采用瑞典圓法計算出圓弧滑裂面的安全系數(shù)，見圖2～圖5及表6。

圖2 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期上游游壩坡穩(wěn)定計算簡圖

圖3 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期下游游壩坡穩(wěn)定計算簡圖

圖4 校核洪水位穩(wěn)定滲流期上游游壩坡穩(wěn)定計算簡圖

圖5 校核洪水位穩(wěn)定滲流期下游游壩坡穩(wěn)定計算簡圖

通過對本大壩最大斷面進行邊坡穩(wěn)定計算，得出該計算斷面在正常蓄水位和校核洪水位情況下穩(wěn)定系數(shù)，計算成果見表6。

表6 穩(wěn)定計算成果匯總表

從以上計算工況分析得出，大壩正常蓄水位工況下的上游壩坡，和校核洪水位工況下的下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，水庫大壩結構安全評定結論為“不安全C級”。

8 結論與建議

依據(jù)專項安全評價結論，對照《水庫大壩安全評價導則》(SL 258-2017)及《水庫降等與報廢標準》(SL 605-2013)規(guī)定，小堡子水庫大壩安全分類評定為三類壩，不安全，屬病險水庫大壩。安全運行存在問題，工程農(nóng)田灌溉任務與效益已完全由引洮供水二期配套農(nóng)業(yè)灌溉工程代替，無進一步開發(fā)利用價值。經(jīng)綜合分析評價，小堡子水庫安全綜合評價結論為降等。

降等后小堡子水庫應全面加強水庫大壩安全監(jiān)測，配置必要的監(jiān)測設施與設備，全面加強監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預報。并升級水庫工程運行管理，達到“規(guī)范”級。完善水庫大壩滲流反濾排水設施，對大壩進行加固處理，提高大壩壩體質(zhì)量、穩(wěn)定及抗震安全。