水庫大壩安全評價及處理建議分析

彭 鵬

（福建省永川水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司韶關(guān)分公司，廣東 韶關(guān) 512000）

在水利工程和水資源的管理中，水庫大壩發(fā)揮著舉足輕重的作用，例如水力發(fā)電、抗旱防澇、改善航運(yùn)、居民用水方面的重大作用。但在水庫大壩的建設(shè)和運(yùn)行中，安全問題一直是核心問題，一旦發(fā)生安全事故，將會造成不可估量的生命和財(cái)產(chǎn)損失。在檢查中發(fā)現(xiàn)，大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)低，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、壩坡抗滑穩(wěn)定性差、輸水或泄洪建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、壩體開裂、大壩滲漏嚴(yán)重等問題，一直是水庫大壩存在的普遍性問題[1]。所以，對大壩進(jìn)行安全性評價和分析，探索一套針對水庫大壩的完整的鑒定程序，研究出切實(shí)可行的治理策略，是確保水庫大壩安全運(yùn)行的重要手段，也是水利工程更好地服務(wù)民生的最佳途徑。

1 工程概況

大壩水庫，位于北緯20°41′21′，東經(jīng)110°02′18′。水庫由主壩、副壩、溢洪道和輸水涵管等樞紐建筑物組成。其中主壩一座，是1311m 長、5m 寬的均質(zhì)土壩，壩頂高程為61.32m，最高處為16.30m，防浪墻設(shè)計(jì)為62.32m 的高程，副壩一座，壩長為1153m，樁號0+000～0+900 設(shè)計(jì)為60.00m 的壩頂高程，壩頂寬為11.6m，樁號0+900～1+154 壩頂高程為60.50m，壩頂寬為6.0m，副壩最高處為5.2m。設(shè)有一座長107.73m、寬21m 的溢洪道，閘孔為3.3m 高度，進(jìn)口底高程為53.10m，閘門為卷揚(yáng)機(jī)啟閉的弧形鋼閘門。設(shè)計(jì)輸水涵一座，涵管為鋼筋砼內(nèi)襯的鋼管，直徑2.0m，進(jìn)口高程49.50m，流量設(shè)計(jì)為12m3/s。

2 水庫大壩安全評價

2.1 洪水標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

某水庫大壩最高處為16.32m，水頭差距最大值為14.55m，根據(jù)《水利水電工程劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）第5.1.2 節(jié)、第5.2.7 節(jié)的相關(guān)規(guī)定，將水庫設(shè)計(jì)為100 年一遇（P=1%）的洪水標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)為1000 年一遇（P=0.1%）的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，針對溢洪道消能防沖設(shè)計(jì)，綜合分析后設(shè)定為30 年一遇（P=3.33%）洪水標(biāo)準(zhǔn)，完全保持了原有的設(shè)計(jì)方案。

2.2 輸水建筑物過流能力復(fù)核

2.2.1 基本狀況

1.舊電站涵管和高涵、昌平涵都存在一定的安全隱患，因?yàn)楹苤車约案吆?、昌平涵都沒有進(jìn)行接觸和封堵性的灌漿。

2.電站輸水涵啟閉室排架柱存在嚴(yán)重安全隱患，因?yàn)榛炷辆植坷匣撀?，已?jīng)外露鋼筋，而且梁工作橋板和頂板發(fā)現(xiàn)多處開裂。

3.啟閉機(jī)存在安全問題，因?yàn)槔匣惻f而失去靈敏度，不方便操作，應(yīng)該淘汰。

4.輸水涵存在安全隱患，表現(xiàn)為放水時大震動，容易引發(fā)共振而帶來電站運(yùn)行的危險。

2.2.2 輸水涵洞水力計(jì)算復(fù)核

位于水庫大壩左端的輸水涵，其結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土內(nèi)襯鋼管，管徑2.0m，涵洞底的進(jìn)口高程和出口高程分別為49.50m 和49.00m，總體長度為110m。基于在水面之下設(shè)置涵管出口，因此涵管只能是淹沒出流，計(jì)算公式參照《水工設(shè)計(jì)手冊8》如下：

上式中：流量系數(shù)設(shè)定為μ；設(shè)定涵管斷面面積：ω=3.14×1.02=3.14m2；Ho 表示計(jì)入行近流速水頭的上游洞底以上水頭，Ho=H+V2/2g；進(jìn)出口等阻力系數(shù)總和設(shè)定為Σζ，取1.25（其中進(jìn)口和出口分別為0.25和1.0）；R 為水力半徑，R=d/4=0.5m；C 為謝才系數(shù)，；如果鋼管糙率n 取0.013，那么C=68.53；管長設(shè)定為I，取110m；涵洞坡降設(shè)定為i，取0.00455；h 表示出口洞底以上的水深（m），1.26m。根據(jù)以上的計(jì)算，輸水涵管過流的最大能力為25.47m3/s，設(shè)計(jì)流量為12.00m3/s，因此，輸水涵管基本可以達(dá)到供水的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.3 滲流安全評價

在檢查過程中，發(fā)現(xiàn)壩基和壩體存在嚴(yán)重的滲漏（圖1 為斷面穩(wěn)定滲流期簡圖）。通過計(jì)算顯示，大壩的不同工況下，滲坡降最大的數(shù)值為0.54～0.58，都是在下游壩腳棱體排水處出現(xiàn)，而其他部位都沒有超過規(guī)定允許的0.40 的滲坡降，因此滲透破壞情況不會發(fā)生。但存在很高位置的浸潤線逸出點(diǎn)，如果正常水位長期運(yùn)行，會影響大壩的穩(wěn)定性。分析滲流系數(shù)，主壩樁號0+300-0+450 段填土數(shù)值表現(xiàn)為1.04×10-3～6.95×10-3cm/s，地基土數(shù)值表現(xiàn)為6.95×10-3～8.07×10-3cm/s，都明顯高于1×10-4cm/s，壩基和壩體嚴(yán)重滲漏，達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。大壩不具備合格的防滲和反濾排水條件。所以，按照滲流計(jì)算、現(xiàn)場觀測和土工試驗(yàn)，同時結(jié)合施工質(zhì)量，可斷定水庫為不安全的滲流狀態(tài)，有安全隱患，滲流安全等級評價為C 級。

圖1

2.4 結(jié)構(gòu)安全評價

復(fù)核計(jì)算顯示，在不同的工況下大壩的上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都可以達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，參考《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》（SL258-2017）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，該壩體結(jié)構(gòu)安全分級為B 級。

針對溢洪道的評價，其過流斷面符合泄洪的標(biāo)準(zhǔn)，但滲漏情況出現(xiàn)在控制段側(cè)墻的局部處，并且泄槽底板及側(cè)墻因?yàn)椴糠珠_裂而產(chǎn)生滲漏；發(fā)生開裂的位置還包括啟閉室梁、底板局部、邊墻；基于檢修橋板厚不達(dá)標(biāo)，并且橋面未設(shè)置欄桿，有一定的安全隱患。所以，溢洪道結(jié)構(gòu)安全分級為C 級。

針對輸水涵管的評價，原主涵、舊電站涵管和高涵、昌平涵都存在一定的安全隱患，因?yàn)楹苤車约案吆⒉胶紱]有進(jìn)行接觸和封堵性的灌漿；電站輸水涵啟閉室排架柱存在嚴(yán)重安全隱患，因?yàn)榛炷辆植坷匣撀?，已?jīng)外露鋼筋，而且梁、工作橋板和頂板發(fā)現(xiàn)多處開裂；啟閉室排架柱的混凝土等級低于C20，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。輸水涵放水時大震動，容易引發(fā)共振而帶來電站運(yùn)行的危險。因此，輸水涵管結(jié)構(gòu)安全分級定為C 級。綜合上面情況，作為樞紐工程的水庫大壩評價為C 級的結(jié)構(gòu)安全。

2.5 金屬結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

2.5.1 啟閉設(shè)施現(xiàn)場情況

現(xiàn)場調(diào)查顯示，輸水管道啟閉設(shè)施可以正常運(yùn)行，但拉桿嚴(yán)重腐蝕，輸水涵洞進(jìn)口閘板始終在水位下運(yùn)行，難以查看其狀況，沒有維修的記錄。

2.5.2 啟閉力及拉桿穩(wěn)定復(fù)核

計(jì)算顯示，水庫泄洪閘啟動力需要28.5t，閉門力為21.2t，既有啟閉機(jī)為30t 的啟閉力，已經(jīng)達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。泄洪閘設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)螺桿直徑應(yīng)該是9.5cm，既有螺桿直徑為10.8cm，因此可符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。輸水涵洞手動拉桿式閘門拉桿在常規(guī)水位狀況下，一般需要2.48t的啟門力，需要2.3t的閉門力，既有的拉桿直徑為3.5cm。如果閉門力為2.3t 的情況下，使用3.5cm 直徑的拉桿，導(dǎo)向環(huán)必須為1.25cm。既有導(dǎo)向環(huán)為1～1.6m 的間距，因此，輸水涵洞閘門拉桿直徑在導(dǎo)向環(huán)超過1.25m 時難以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.6 大壩運(yùn)行管理情況

調(diào)查顯示，水庫大壩的主壩段迎水坡局部淘刷嚴(yán)重；未曾拆除舊啟閉機(jī)的機(jī)房，有損水庫形象；局部開裂的防浪墻嚴(yán)重影響外觀質(zhì)量；主壩段輸水涵到糖廠約650m 長的壩角處有滲漏現(xiàn)象；主壩反濾體失去功能，壩角沒有設(shè)計(jì)量水堰；主副壩背水坡面不僅雜草叢生、凹凸不平，且局部有跌窩；溢洪道控制段側(cè)墻的某些地方有滲漏存在，局部的側(cè)墻和泄槽底板因?yàn)殚_裂而泄露；檢修橋橋板厚度不達(dá)標(biāo)，而且沒有設(shè)置欄桿，有一定的安全隱患；溢洪道啟閉室的梁、底板和邊墻有些部位開裂；原主涵、舊電站涵管和高涵、昌平涵都存在一定的安全隱患，因?yàn)楹苤車约案吆?、昌平涵都沒有進(jìn)行接觸和封堵性的灌漿；水庫的資料沒有統(tǒng)一整理而雜亂無章；因?yàn)樵撍畮鞗]有職工宿舍造成很多的工作不便。綜合以上情況可見，水庫大壩存在很多的運(yùn)行管理問題，嚴(yán)重影響了水庫的運(yùn)行效益。

3 大壩除險加固處理建議

3.1 提高水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)

可根據(jù)需要提高壩頂?shù)母叱?，也包括適當(dāng)提升防浪墻和心墻等，同時強(qiáng)化調(diào)蓄能力，達(dá)到削減洪峰的效果，提升防洪標(biāo)準(zhǔn)。為了增加下瀉洪量，可以將溢洪道加深、加寬或者合理增建，具體方式包括：拓寬溢洪道且添加閘門，加深溢洪道且設(shè)置閘門，增加溢洪道以及重建溢洪道，采取大壩加高、加大溢洪能力有機(jī)融合的模式。由此可見，合理地增加水庫的調(diào)蓄庫容量，拓展泄洪量等綜合措施，是提升水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的有效措施。

3.2 治理滲流破壞

調(diào)查顯示，水庫大壩心墻填筑土壓實(shí)度和滲透系數(shù)都難以滿足設(shè)計(jì)要求，并且土質(zhì)為分散性，因此防滲加固是至關(guān)重要的手段。在大壩被滲流破壞的情況下，可通過對壩基、壩體、壩肩等部位滲漏情況的分析，提出簡便易行的處理措施，遵循的主體原則是“上堵下排”。所謂的上堵就是在壩軸線以上的上游側(cè)封堵滲漏入口，以有效截?cái)酀B漏途徑，實(shí)際的措施包括水平防滲和垂直防滲。上堵中的垂直防滲手段包括截滲槽、高壓噴射灌漿、混凝土面板護(hù)砌、混凝土防滲墻、土工膜防滲、劈裂灌漿、充填灌漿等；水平防滲措施包括黏土鋪蓋、混凝土填塞溶洞或裂縫等。所謂的下排是指在下游利用導(dǎo)滲和濾水手段，迅速排出滲水又不帶走土顆粒，實(shí)現(xiàn)滲透穩(wěn)定[4]。

3.3 加固和改造泄洪系統(tǒng)

通過襯砌防護(hù)溢流面，對閘墩或者上部結(jié)構(gòu)的加固，進(jìn)行出口過渡段、溢洪道和泄流槽段的接長，消能設(shè)施的加強(qiáng)，有效提升抗沖刷能力。如果消力池被嚴(yán)重沖刷，改道了尾水渠，那么就要及時清除破碎帶以及消力池風(fēng)化基礎(chǔ)，清除到堅(jiān)硬巖石為止?？梢岳没炷梁蜐{砌塊石加固土基，確保抗沖性能增加。利用削坡或者錨固襯護(hù)的手段穩(wěn)定邊陡坡，清除溢洪道的淤積，針對隱患大的地方可以采取原地重建或者異地重建的措施。

3.4 加強(qiáng)水庫管理

針對大壩水庫的管理來說，必須盡快建立和完善全新的水庫管理機(jī)制，新的機(jī)制既要適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又要責(zé)權(quán)明確、管理科學(xué)，該新型管理機(jī)制要探索投資的多元化，產(chǎn)權(quán)的明晰化，供水供電價格的商業(yè)化，水庫服務(wù)的有償化，真正實(shí)現(xiàn)水庫管理的良性循環(huán)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙豐收。

4 結(jié)語

水庫是我 國的重要水利工程，但水庫的安全隱患也不容忽視，在整體的8.5 萬多座水庫中，有3.6 萬多為病險水庫，嚴(yán)重影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。國家十分重視病險水庫的相關(guān)問題，開展了卓有成效的水庫除險加固工作。

針對水庫大壩防洪問題，其措施采取大壩加高，合理地增加水庫的調(diào)蓄庫容量，拓展泄洪量等綜合措施。治理滲流破壞問題：水庫大壩基礎(chǔ)防滲的“上堵”措施包括水平和垂直防滲兩種，水平防滲主要是鋪蓋黏土、水下拋土等內(nèi)容，垂直防滲主要是壩體灌漿、凹槽回填黏土、構(gòu)筑防滲板墻等內(nèi)容。大壩水庫按照國家和政府的相關(guān)要求，根據(jù)行業(yè)規(guī)范進(jìn)行水庫大壩各項(xiàng)安全評價，并根據(jù)安全評價和分析的結(jié)果和數(shù)據(jù)以及相關(guān)部門的審定意見，制定水庫大壩的除險加固工程的具體策略。