紙坊溝水庫大壩安全綜合評價

李 鑫

(平?jīng)鍪袥軚|水利水電勘測設計有限責任公司，甘肅 平?jīng)?744000)

0 引言

對已建水庫定期開展水庫安全評價工作至關(guān)重要。目前我國存在37000余座病險水庫，其不僅不能發(fā)揮正常效益，還存在潰壩風險，嚴重危害社會公共安全與經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展[1]。及時掌握水庫安全狀況、根據(jù)安全評價結(jié)論采取相應的管理措施和除險加固方案，從而確保水庫壩體安全運行，對充分發(fā)揮水利基礎(chǔ)設施的工程效益具有顯著的促進作用。

1 水庫概況

紙坊溝水庫位于涇河南岸一級支流紙坊溝下游，屬紙坊溝梯級水庫群最末端，紙坊溝流域壩系分布圖見圖1。大壩為黃土碾壓均質(zhì)壩，最大壩高29 m。是一座確保平?jīng)鍪袇^(qū)防洪安全的小(1)型滯洪性水庫。下游保護平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)主城區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全。壩址以上控制流域面積18.03 km2，主溝道長14.87 km，溝道縱坡比降4.34%。水庫始建于1955年，后經(jīng)歷兩次改擴建和一次除險加固后形成水庫現(xiàn)有規(guī)摸，水庫庫容為234萬m3，主要建筑物按4級設計，設計抗震設防烈度Ⅶ度。現(xiàn)狀水庫防洪標準為50年一遇洪水進行設計，500年一遇洪水進行校核。

圖1 紙坊溝流域壩系分布圖

2 安全評價

2.1 大壩工程質(zhì)量評價

從壩體、壩殼、壩基及輸水建筑物對大壩工程質(zhì)量予以評價。

2.1.1 壩體橫斷面結(jié)構(gòu)

水庫攔水大壩為黃土碾壓均質(zhì)壩，最大壩高29 m，壩頂長295 m，壩頂寬5 m。淤泥面以上上游壩坡坡比自上而下為1∶2.89、1∶3.28；下游壩坡坡比自上而下為1∶1.92、1∶2.42，上下游均采用草皮護坡，上下游變坡處均設馬道，馬道寬1 m。前后壩坡及壩頂在外觀上均無裂縫或滑動現(xiàn)象，壩坡基本完好。

2.1.2 壩殼質(zhì)量評價

壩坡填筑土設計干容重1.6 t/m3、濕容重1.87 t/m3、含水率17%，要求土料級配均勻，大于5 mm粒徑含量不超過3%，壓縮系數(shù)小于0.025 cm2/kg，有機質(zhì)含量小于3%，水溶鹽含量小于2%，滲透系數(shù)小于1×10-4m/s，土料的液限和塑限指標分別控制在30%和20%內(nèi)；因此，壩體填筑質(zhì)量可以滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，工程質(zhì)量評價為合格。

2.1.3 壩基工程質(zhì)量評價

壩址處溝床呈“U”字型，溝床寬度30 m～133 m，為砂礫石沖積層。左岸溝床以上10 m高度范圍覆有1 m～3 m厚黃土，下為砂礫石沖積層，厚約6 m；右岸溝灘有一層5 m厚的紅土，溝岸以上5 m～25 m范圍內(nèi)有第三紀紅粘土出露。壩址覆蓋層土質(zhì)為輕粉質(zhì)壤土及重粉質(zhì)壤土，以重粉質(zhì)壤土為主。壩址及兩岸未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，區(qū)域水文地質(zhì)條件簡單，為相對弱透水體，不存在繞滲問題。因此，工程質(zhì)量符合現(xiàn)行規(guī)范要求，工程質(zhì)量評價為合格。

2.1.4 輸水建筑物工程質(zhì)量評價

現(xiàn)狀泄洪洞是1955年建造，2011年除險加固后的水庫泄水建筑物，位于大壩左壩肩，采用開敞式豎井泄洪洞進口，總長217.7 m，設計最大泄流量5.88 m3/s；引水土渠長273.3 m；經(jīng)現(xiàn)場檢查和根據(jù)水庫管理人員確認，泄洪洞施工質(zhì)量良好，砌筑質(zhì)量合格。

2.2 防洪能力復核

紙坊溝水庫防洪標準及大壩防洪能力基本滿足規(guī)范要求，洪水基本可安全下泄，大壩防洪安全性評價為A。

2.2.1 防洪標準復核

水庫防洪標準為50年一遇洪水設計、500年一遇洪水校核，符合《防洪標準》(GB 50201-2014)有關(guān)規(guī)定，水庫防洪標準滿足規(guī)范的要求。

2.2.2 設計洪水復核

經(jīng)洪水計算復核，水庫設計和校核洪水洪峰流量、洪水總量50年一遇區(qū)間洪峰流量50.30 m3/s、洪水總量33.28萬m3；500年一遇區(qū)間洪峰流量78.62 m3/s、洪水總量52.77萬m3。

2.2.3 庫容曲線復核

安全評價中在原庫容曲線的基礎(chǔ)上，對新的淤積高程和淤積庫容進行修正，修正點繪庫容曲線。認定淤積高程已達1398.42 m，淤積庫容128.11萬m3。

2.2.4 水位泄流曲線復核

經(jīng)現(xiàn)場勘查和計算復核，泄洪洞易發(fā)生堵塞和淤積，造成泄流能力變小，溢洪道泄流能力基本正常。

2.2.5 調(diào)洪計算

紙坊溝水庫泄洪設計工況包括正常運行、非正常運行兩種條件。起調(diào)水位定為溢洪道底板高程為1401.30 m。紙坊溝水庫為保護下游城鎮(zhèn)安全，水庫最大允許下泄量不得超過25 m3/s，水庫調(diào)洪計算采用“單輔助線”法，對不同頻率洪水進行調(diào)節(jié)計算，求得最高洪水位和相應最大下泄流量。紙坊溝水庫調(diào)洪成果見圖2～圖5。

圖2 P=0.2%正常運行工況下調(diào)洪計算曲線

圖3 P=0.2%非正常運行工況下調(diào)洪計算曲線

圖4 P=2%時正常運行工況下調(diào)洪計算曲線

圖5 P=2%時非正常運行工況下調(diào)洪計算曲線

根據(jù)表1對紙坊溝水庫進行P=0.2%和P=2%洪水進行調(diào)洪演算成果，可知水庫現(xiàn)狀壩頂高程1407.20 m，原設計洪水位為1402.80 m，校核水位為1405.30 m，均與復核計算基本一致，無需調(diào)整。

表1 調(diào)洪計算成果對比表

2.2.6 壩頂高程復核

經(jīng)復核計算壩頂高程為1406.47 m，現(xiàn)狀壩頂高程為1407.20 m，高于計算壩頂0.73 m，現(xiàn)狀壩頂高程滿足規(guī)范要求。

2.3 大壩滲流安全評價

大壩滲流由壩體滲透和壩肩繞滲兩部分組成，其中壩肩滲漏通過采取工程措施后，一般不會對大壩造成滲流穩(wěn)定破壞，壩體滲流穩(wěn)定分析僅選取典型橫剖面，確定壩體浸潤線的位置，了解壩內(nèi)滲流形態(tài)，確定壩體和壩基的滲流量，評價壩體是否會產(chǎn)生滲透破壞。

2.3.1 計算方法

按不透水地基帶鋪蓋下游無排水設備的均質(zhì)土壩計算。計算公式如下：

上游段：

(1)

中間段：

(2)

下游段：

(3)

2.3.2 計算結(jié)果

計算得到壩體和壩基處的平均水力坡降，計算結(jié)果見表2。

表2 滲透坡降計算成果表

可知紙坊溝水庫在遭遇50 a一遇洪水及500 a一遇洪水時，壩體和壩基的滲透坡降J均小于允許水力坡降[Jk]。

2.3.3 評價結(jié)論

經(jīng)現(xiàn)場觀察和水庫管理人員長期觀測分析，紙坊溝水庫大壩壩體及壩基滲透坡降均小于允許水力比降，壩體及壩基滲透是穩(wěn)定的，均不存在滲透破壞問題。根據(jù)現(xiàn)場勘查和實驗檢測，未發(fā)現(xiàn)存在嚴重滲漏問題。結(jié)合分析，壩體滲流評價為A級。

2.4 大壩結(jié)構(gòu)安全評價

土壩穩(wěn)定分析的計算目的是復核土壩在自重、滲透壓力、孔隙壓力和其他外荷載的作用下，具有足夠的穩(wěn)定性，不致發(fā)生通過壩體或壩基的整體或局部剪切破壞。

經(jīng)現(xiàn)場檢查和穩(wěn)定分析復核計算，水庫大壩上、下游壩坡壩坡抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；溢洪道外觀存在少量淺層裂縫，且存在較多淤泥，生物侵害嚴重；引水渠左側(cè)導流墻損壞，溢洪道進口引渠襯砌右岸頂部土質(zhì)邊坡存在坍塌隱患；泄洪洞豎井處淤積面高程已超過泄洪洞豎井進口高程。洪水來臨易坍塌而造成淤堵，進口段底板磨損，砂漿剝落，出口洞簾左側(cè)側(cè)墻有一45°斜向裂縫，消力池兩側(cè)側(cè)墻均向渠內(nèi)傾斜，有倒塌危險。綜合分析，大壩結(jié)構(gòu)安全評價為C級。

2.5 大壩抗震安全評價

控制大壩穩(wěn)定的有施工期、穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落期和正常運用遇地震四種工況，穩(wěn)定系數(shù)計算見表3。

表3 壩坡穩(wěn)定抗震計算成果表

從大壩抗震穩(wěn)定計算成果可得出：壩體穩(wěn)定復核計算壩體上、下游壩坡在設計水位遇地震時，壩體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，壩體抗震滿足要求。綜合分析，大壩抗震安全評價為A級。

2.6 金屬結(jié)構(gòu)安全評價

紙坊溝水庫現(xiàn)狀金屬結(jié)構(gòu)設備有：溢洪道平板鑄鋼工作閘門2扇，配備型號為LQ-500-S/D型啟閉機兩臺、P×B-1型保安配電柜及TF14-P型動力配電柜各一面。

2.6.1 鋼閘門安全評價

(1)溢洪道金屬結(jié)構(gòu)布置、設計基本合理。工作閘門及其啟閉設備均為合格產(chǎn)品。安裝后的閘門基本能順利運行；

(2)溢洪道工作閘門門體輕微銹蝕，二號閘門啟閉時與閘槽上游混凝土水平拉梁相互摩擦，影響閘門垂直啟閉。門槽內(nèi)存在垃圾存在泥沙淤積和垃圾卡阻現(xiàn)象。

2.6.2 電氣設備安全評價

紙坊溝水庫T接10kV-121平峽線二溝村分支供電線路，由于壩址區(qū)用電負荷較小，壩址區(qū)供電滿足二級負荷供電系統(tǒng)設置要求。依據(jù)溢洪道閘門啟閉運行工況配備型號為LQ-500-S/D型啟閉機兩臺、P×B-1型保安配電柜及TF14-P型動力配電柜各一面均正常運行，滿足閘門啟閉的供電及現(xiàn)場手動控制要求，現(xiàn)場測試閘門啟閉正常運行。

2.6.3 評價結(jié)論

紙坊溝水庫金屬結(jié)構(gòu)設備備用電源不具備緊急切換條件，溢洪道二號閘門啟閉時與閘槽上游混凝土水平拉梁相互摩擦，影響閘門垂直啟閉；工作閘門門體輕微銹蝕、閘槽存在泥沙淤積和垃圾卡阻現(xiàn)象。因此，水庫金屬結(jié)構(gòu)安全評價為B級。

3 結(jié)論

根據(jù)評價內(nèi)容，紙坊溝水庫工程質(zhì)量評價為合格，防洪能力復核為A級，滲流安全評價為A級，結(jié)構(gòu)安全評價為C級，抗震安全評價為A級，金屬結(jié)構(gòu)安全評價為B級。綜合各項安全評價結(jié)論，紙坊溝水庫大壩安全綜合評價為三類壩，屬病險庫。

依據(jù)安全評價結(jié)論，應及時制定除險加固方案，著重解決壩體結(jié)構(gòu)安全，優(yōu)化安全監(jiān)測系統(tǒng)，加強科學監(jiān)測，確保樞紐工程運行安全。