運行期土石壩壩頂高程存在的問題及處理

呂高峰，張 猛，杜雪珍

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國家水電站大壩安全和應(yīng)急工程技術(shù)中心，浙江 杭州 310014；3.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014)

根據(jù)《水電站大壩運行安全評價導(dǎo)則》(DL/T5313—2014)，本研究將正常壩細(xì)分為正常壩A和正常壩A-。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，蓮花、雙溝、雪山湖、鄂坪、萬安溪等多座土石壩壩頂或防浪墻頂高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范，評級為正常壩A-。早期大壩安全定期檢查期間受洪水標(biāo)準(zhǔn)變化等因素影響，也會造成大壩壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范。目前的土石壩防洪安全分項按表1進行分級。

表1 土石壩防洪安全分項分級表

例如因大壩沉降，大壩防浪墻頂高程高于浪頂高程，但安全超高不足，防洪安全分項的壩頂高程評價為A-級。沉降量若繼續(xù)增大，會導(dǎo)致壩頂(防浪墻頂)高程低于浪頂高程或者壩頂高程低于最高靜水位，這樣防洪安全分項的壩頂高程即評定為B。大壩沉降量過大直接影響大壩的評級。

1 壩頂高程確定的依據(jù)

壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2020)，壩頂在水庫靜水位以上的安全超高應(yīng)按式(1)計算確定。

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為壩頂超高，m；R為波浪在壩坡上的爬高，m；e為風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m，根據(jù)壩的等級和運行條件確定。壩頂應(yīng)預(yù)留竣工后的沉降超高，預(yù)留沉降超高應(yīng)根據(jù)沉降計算、有限元應(yīng)力應(yīng)變分析、施工期監(jiān)測和工程類比等綜合分析確定。預(yù)留沉降超高不應(yīng)計入壩的計算高度。

2 壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范的原因

2.1 未設(shè)置預(yù)留沉降超高或預(yù)留的沉降超高不足

實際施工過程中，部分施工單位并未按照設(shè)計要求預(yù)留沉降超高，這樣大壩發(fā)生沉降后，大壩壩頂高程就會低于計算壩頂高程。另外很多工程設(shè)置了預(yù)留沉降超高，但因大壩實際沉降量大于預(yù)留沉降超高后，也會造成壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范。

例如雙溝大壩工程于2004年12月22日開工，2005年7月30日壩體開始填筑，2007年9月底填筑至高程586 m(壩頂高程590 m)。面板混凝土于2008年5月26日開始施工，2008年9月17日全部完成。大壩從2009年9月23日開始監(jiān)測，截至2019年5月，大壩壩頂最大沉降量為270.1 mm(LD4-4測點)，實測過程線見圖1。

圖1 雙溝大壩壩頂實測最大沉降測點LD4-4沉降測值過程線

2019年6月，防浪墻頂高程低于按規(guī)范計算的防浪墻頂高程(590.79 m)0.32 m，低于防浪墻設(shè)計值(591.20 m)0.73 m，可以初步推測雙溝大壩未按規(guī)范預(yù)留竣工后的沉降超高。

2.2 特征水位提高，壩頂高程計算值變大

受原設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)偏低、洪水標(biāo)準(zhǔn)提高或建筑物級別變化等，水庫特征水位提高，導(dǎo)致壩頂高程計算值變化，使壩頂高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范。例如山西天橋水電站原設(shè)計洪水重現(xiàn)期采用100年，無校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，不滿足現(xiàn)行規(guī)范。貴州修文水電站設(shè)計的時候采用老規(guī)范，按重現(xiàn)期50年設(shè)計，200年校核，按照現(xiàn)行規(guī)范核查，原定的洪水標(biāo)準(zhǔn)不符合現(xiàn)行規(guī)范要求。下六甲電站因面板堆石壩最大壩高84.2 m，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，堆石壩最大壩高超過80 m，建筑物級別提高至2級，洪水標(biāo)準(zhǔn)也要相應(yīng)提高。因水庫的特征水位變化，導(dǎo)致壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 壩頂(防浪墻頂)高程加高案例

3.1 加高防浪墻

針對壩頂高程滿足規(guī)范要求，僅防浪墻頂高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的大壩，只需要加高防浪墻頂高程。

土石壩防浪墻高一般為1.2 m，雙溝大壩的防浪墻實體高度只有70 cm，上部為欄桿。對于雙溝大壩安全超高不足僅32 cm的問題，2019年7月，電廠利用防浪墻上部的欄桿，在防浪墻頂部焊接鋼板，使防浪墻加高50 cm，從而使防浪墻頂高程滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。因加高的部分均為安全超高，設(shè)計和校核工況下均不擋水也不防浪，所以采用焊接鋼板的形式是滿足要求的。改造前照片見圖2。

圖2 雙溝大壩改造前照片

防浪墻高度一般也不能太高，若防浪墻過高，就不便于從壩頂對大壩上游面進行巡查。若需要加高的防浪墻高度過大，可以在防浪墻靠近壩頂側(cè)增設(shè)臺階，方便巡查。例如湖北的黃龍灘水電站由于防浪墻加高后，遠(yuǎn)高于正常成年人的身高，不利于現(xiàn)場檢查，因此在防浪墻靠近壩頂側(cè)增設(shè)了三個臺階，方便日常巡查。

3.2 加高壩頂

對于壩頂高程不滿足規(guī)范要求的大壩應(yīng)進行大壩壩頂高程加高，另外大壩壩頂屬于臨空面，根據(jù)大壩運行管理要求，需要設(shè)置1.2 m的圍擋體，即在加高壩頂?shù)耐瑫r加高防浪墻。若防浪墻頂原高程滿足規(guī)范要求，則在防浪墻頂增設(shè)欄桿即可；若原防浪墻頂高程不滿足規(guī)范要求，則要在防浪墻頂增設(shè)實體防浪墻。百丈漈一級大壩在定檢時，根據(jù)2019平洪水計算得出設(shè)計洪水位655.97 m，校核洪水位658.91 m。受壩體沉降影響，2020年1月實測主壩、連珠墳副壩、白墳副壩壩頂最低高程分別為658.91,658.64,658.62 m，主壩壩頂最低高程與校核洪水位一致。兩座副壩的實測壩頂高程低于校核洪水位，壩頂高程未滿足規(guī)范要求。

針對上述問題，對主副壩進行了加高，主壩、連珠墳副壩、白墳副壩壩頂高程分別加高至659.18,658.96,658.95 m，均高于校核洪水位，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。對于壩頂加高較多的大壩，考慮現(xiàn)場作業(yè)安全，防浪墻應(yīng)進行加高，以便滿足作業(yè)安全的要求。

3.3 壩頂、防浪墻頂高程加高的建議

1) 壩頂高程滿足規(guī)范要求，防浪墻頂高程不滿足規(guī)范要求的工程，則只需要加高防浪墻頂高程。

2) 壩頂高程不滿足規(guī)范要求，防浪墻頂高程滿足規(guī)范要求的工程，則只需要加高壩頂高程，但是考慮現(xiàn)場作業(yè)安全，防浪墻應(yīng)進行加高，以滿足作業(yè)安全的要求。

3) 壩頂和防浪墻頂均不滿足規(guī)范要求，則兩者均需要加高。

4 壩頂沉降超高的建議

導(dǎo)致壩頂(防浪墻頂)高程不滿足規(guī)范要求的原因主要是壩體填筑到頂后(運行期)的沉降量超過預(yù)留沉降超高，規(guī)范也要求預(yù)留沉降超高要進行工程類比，據(jù)此對國內(nèi)大中型土石壩運行期的沉降量最大值進行統(tǒng)計。大中型土石壩主要為面板堆石壩和心墻壩，均質(zhì)壩很少。鑒于面板堆石壩和心墻壩壩體結(jié)構(gòu)存在較大差異，對壩體沉降有一定的影響，兩類壩型的沉降量分開統(tǒng)計。

4.1 面板堆石壩

面板堆石壩運行期壩頂最大沉降量在30～513.63 mm。壩頂運行期最大沉降量與壩高關(guān)系密切，最大沉降量與壩高比在0.03%～0.32%(圖3和圖4)。

圖3 壩頂運行期沉降量與壩高關(guān)系圖

圖4 壩頂運行期沉降量與壩高的比值柱狀圖

4.2 心墻壩

心墻壩運行期壩頂最大沉降量在22～1 576.4 mm，壩頂運行期最大沉降量與壩高比在0.04%～2.48%。柘林大壩和南水大壩均建設(shè)于20世紀(jì)五六十年代，鑒于當(dāng)時國內(nèi)土石壩建設(shè)主要采用人工填筑方式，尚無大型機械進行碾壓，導(dǎo)致兩座大壩運行期沉降量偏大。除柘林大壩(2.48%)、南水大壩(0.66%)外，其余均在0.29%以內(nèi)(圖5和圖6)。

圖5 壩頂運行期沉降量與壩高關(guān)系圖

圖6 壩頂運行期沉降量與壩高的比值柱狀圖

綜上所述，除上述兩座大壩，國內(nèi)大中型土石壩運行期壩頂沉降量與壩高的比值大部分都在0.32%以內(nèi)。

《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2020)建議壩頂竣工后的預(yù)留沉降超高應(yīng)根據(jù)沉降計算、有限元應(yīng)力應(yīng)變分析、施工期沉降監(jiān)測和工程類比等綜合分析確定?？紤]工程類比因素，依據(jù)上述土石壩的統(tǒng)計成果,國內(nèi)大中型土石壩運行期壩頂沉降量與壩高的比值大部分都在0.32%以內(nèi)，考慮到上述工程部分大壩尚未完全穩(wěn)定，但沉降速率均已逐步趨于穩(wěn)定，采用壩高的0.5%作為控制是合適的。

5 結(jié) 語

目前,國內(nèi)部分工程未嚴(yán)格按照規(guī)范要求預(yù)留沉降超高，或者預(yù)留的沉降超高不足，或者特征水位變化，均會造成壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現(xiàn)行規(guī)范，建議土石壩設(shè)計、施工中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求預(yù)留沉降超高，預(yù)留沉降超高應(yīng)根據(jù)沉降計算、監(jiān)測和工程類比等綜合分析確定。

通過對已運行大壩沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)大中型土石壩運行期壩頂沉降量與壩高的比值大部分都在0.32%以內(nèi)?？紤]到上述工程部分大壩尚未完全穩(wěn)定，但沉降速率均已逐步穩(wěn)定，預(yù)留的次降超高控制在壩的0.5%以內(nèi)，整體是合適的。

壩頂(防浪墻)高程不足時，應(yīng)及時加高壩頂和防浪墻頂高程，防止在校核標(biāo)準(zhǔn)工況下發(fā)生漫壩或翻浪，從而危及土石壩安全。加高壩頂或防浪墻頂要綜合現(xiàn)場實際情況進行設(shè)計。