某水利工程結(jié)構(gòu)安全分析與評價(jià)

郭 廷

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

水利工程作為關(guān)系國計(jì)民生的重要基礎(chǔ)建設(shè)工程，其安全性至關(guān)重要。由于我國水利工程項(xiàng)目眾多，基層水利安全監(jiān)管力量薄弱，部分水利工程年久失修，病險(xiǎn)狀況嚴(yán)峻，亟待對其進(jìn)行安全分析評價(jià)[1]。由于結(jié)構(gòu)安全是整個水利工程安全的關(guān)鍵部分，因此，研究如何對眾多水利工程的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行科學(xué)的分析、評價(jià)，并對其存在的問題采取措施予以解決，對提升水利工程的安全性和防洪能力，保障國家的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1 工程概況

某水利工程是一宗以防洪、灌溉為主的大型水利樞紐工程，工程校核洪水位142.982m(p=0.033%)，設(shè)計(jì)洪水位142.026m(p=0.2%)，汛限水位137.5m，正常蓄水位138.0m，死水位132.5m。工程于1957年建成，后經(jīng)四次加固擴(kuò)建形成現(xiàn)有工程，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防洪發(fā)揮重要作用。

該工程主壩存在的問題有：①右岸迎水面局部壩段無干砌石護(hù)坡，填土裸露；②右岸背水面有局部塌陷；③防浪墻表層破損，未形成閉合；④壩頂混凝土路面局部裂縫；⑤背水面的排水溝在庫水位達(dá)到137.2m時有滲清水現(xiàn)象。

副壩存在的問題有：①各個副壩的漿砌石防浪墻普遍存在表層砂漿保護(hù)層脫落現(xiàn)象；②左1#副壩壩后在庫水位138m時，周邊農(nóng)田有冒水點(diǎn)；③左3#副壩右岸防浪墻有一個缺口，未形成閉合；④左3#副壩背水坡排洪涵出口有培土種植，阻礙行洪。

根據(jù)主、副壩存在的問題，亟待對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析評價(jià)。

2 結(jié)構(gòu)安全分析評價(jià)

選擇影響該水利工程結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵指標(biāo)：大壩結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)復(fù)查、溢洪道設(shè)計(jì)復(fù)核、輸水建筑物安全復(fù)核、排沙箱涵結(jié)構(gòu)復(fù)核四個方面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析評價(jià)。

2.1 大壩結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)復(fù)核

2.1.1大壩壩頂高程復(fù)核

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)規(guī)定，壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和[3]。壩頂超高按第5.3.1條確定，按下式計(jì)算：

Y=R+e+A

(1)

式中，A—安全加高，m，對2級建筑物，正常運(yùn)用條件取1.0m，非常運(yùn)用條件取0.7m；R—最大波浪在壩坡上的爬高，m，按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算，采用累計(jì)頻率為1%的波浪爬高值[4]。

波浪計(jì)算根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 274—2020附錄A進(jìn)行計(jì)算。

波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗(yàn)站公式，按式(A.1.5-1)、式(A.1.5-2)計(jì)算：

(2)

(3)

平均波長按式(A.1.5-3)計(jì)算：

(4)

風(fēng)壅水面高度按式(A.1.10)計(jì)算：

(5)

平均波浪爬高按式(A.1.12-1)計(jì)算：

(6)

壩頂超高及壩頂高程計(jì)算結(jié)果見表1—2。主壩和各副壩壩頂高程和防浪墻頂均能滿足規(guī)范要求。

表1 主壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果表

表2 副壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果表

2.1.2大壩壩頂寬度及上游護(hù)坡復(fù)核

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 274—2020第5.4.1條規(guī)定，壩頂寬度如無特殊要求，中低壩可選用5～10m。壩高30m以下為低壩，壩高30～70m為中壩，該水利工程最大壩高為24m，為低壩，主壩壩頂現(xiàn)狀寬度8m，副壩壩頂現(xiàn)狀寬度6m，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)，砌體護(hù)坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質(zhì)量、平均粒徑、平均質(zhì)量和厚度，可以按式(A.2.1.-1)～(A.2.1.-4)確定。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 大壩迎水坡護(hù)坡厚度計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場檢查情況，右1#和右8#副壩上游為草皮護(hù)坡，副壩為土壩，上游應(yīng)設(shè)置可消減風(fēng)浪、防波浪淘刷、抵抗漂浮物撞擊護(hù)坡形式，因此右1#和右8#護(hù)坡不符合規(guī)范要求。其余大壩迎水坡護(hù)坡為厚度0.35m的干砌石，實(shí)際護(hù)坡厚度大于計(jì)算厚度，砌石底部設(shè)有砂碎石墊層，其余大壩迎水坡護(hù)坡厚度符合規(guī)范要求。

2.1.3壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

(1)壩體穩(wěn)定分析斷面。主壩由于壩基基礎(chǔ)不同，分別采用0+250(地基存在砂層)和0+610斷面作為本次復(fù)核穩(wěn)定分析的典型斷面，選取各副壩橫剖面的最大壩高處斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。

(2)大壩各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)。主壩0+250斷面滲流、壩坡穩(wěn)定計(jì)算的主要參數(shù)，見表4。主壩0+610斷面滲流、壩坡穩(wěn)定計(jì)算的主要參數(shù)，見表5。

表4 主壩0+250斷面滲流、壩坡穩(wěn)定計(jì)算的主要參數(shù)表

表5 主壩0+610斷面滲流、壩坡穩(wěn)定計(jì)算的主要參數(shù)表 單位：cm/s

(3)穩(wěn)定安全系數(shù)的選擇。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，正常運(yùn)用條件時取1.35，非常運(yùn)用條件Ⅰ時取1.25。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)，壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核，采用簡化畢肖普法。穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式為：

K=∑{[(W±V)secα-ubsecα]tgφ′+
c′bsecα}[1/(1+tanαtanφ′/K)]/
∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(7)

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用南京水準(zhǔn)科技有限公司研發(fā)的“AutoBANK7.7”軟件，用簡化畢肖普法計(jì)算壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[7]。壩體浸潤線采用相應(yīng)工作條件下的滲流計(jì)算結(jié)果。壩坡穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)結(jié)果見表6—7。

表6 主壩穩(wěn)定計(jì)算壩坡最小安全系數(shù)結(jié)果表

表7 副壩穩(wěn)定計(jì)算壩坡最小安全系數(shù)成果表

由壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，各大壩在正常運(yùn)用條件下，背水坡壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于1.35，在非常運(yùn)用條件下，背水坡壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于1.25，各大壩均滿足規(guī)范要求。

2.1.4大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核結(jié)論

(1)壩頂及防浪墻頂高程滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)壩體上游均為干砌石護(hù)坡，厚約30～50cm，塊石為弱風(fēng)化狀，壩面較平整，未發(fā)現(xiàn)的壩面沉降現(xiàn)象，但在迎水面板右岸有部分區(qū)域未鋪?zhàn)o(hù)面干砌石，有土體裸露，應(yīng)盡快完善以免長期遭受水流淘刷。

(3)采用復(fù)核后的水庫水位和現(xiàn)狀壩斷面進(jìn)行大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算，大壩迎、背水坡在各種工況下，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

2.2 溢洪道設(shè)計(jì)復(fù)核

2.2.1溢洪道泄流能力復(fù)核

根據(jù)控制段及泄槽的布置型式，本閘為非淹沒出流。泄流能力采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)附錄A(A2.3.1)的計(jì)算公式[8]：

(8)

對于流量系數(shù)m，設(shè)上游堰高為P1，本工程取1.0，則：

當(dāng)P1/H0≤0.24時，m=0.385+0.171(P1/H0)0.657

(9)

當(dāng)P1/H0>0.24時：m=0.414(P1/H0)-0.0652

(10)

對于多孔寬頂堰，側(cè)收縮系數(shù)ε：

ε=[εz(n-1)+εb]/n

(11)

(12)

(13)

式中，閘墩形狀系數(shù)K，矩形取0.19，圓弧取0.10。

堰頂高程為128.0m。

排沙箱涵泄流能力按公式計(jì)算：

(14)

查詢溢洪道水位與流量關(guān)系表可知，閘門全開時，計(jì)算得出的設(shè)計(jì)及校核洪水位下溢洪道的泄流量分別為2165和2376m3/s(均已含排沙箱涵泄流量)，能滿足設(shè)計(jì)及校核洪水位下溢洪道的最大泄流量分別為2083和2352m3/s的要求。

2.2.2溢流水面線復(fù)核

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)，起始斷面從反弧末端收縮斷面(樁號0+056)算起，起始斷面水深按下式計(jì)算：

(15)

式中，θ—起始計(jì)算斷面流速系數(shù)，取0.95[9]。

水面線根據(jù)能量方程，采用分段求和法計(jì)算，計(jì)算公式采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)中(A.3.1-1)、(A.3.1-2)式。式中，α1、α2—流速分布不均勻系數(shù)，取1.05[10]；θ—泄槽底坡角度，取14°；i—泄槽底坡，i=tgθ，取0.25；n—泄槽槽身糙率系數(shù)，取0.014。

泄槽段水流摻氣水深按下式計(jì)算：

hb=(1+ξv/100)h1

(16)

水面線計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 溢洪道泄槽校核情況水面線計(jì)算結(jié)果表

當(dāng)最大泄量時，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，泄槽段邊墻高度均滿足規(guī)范要求。

2.2.3溢洪道消能工復(fù)核

本工程消力池基礎(chǔ)為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，消能方式為底流消能，采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2018)附錄A.6的計(jì)算公式計(jì)算。

溢洪道消能防沖建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50a一遇(P=2%)，流量以450m3/s來進(jìn)行復(fù)核。

消力池深度采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2018)附錄B中B.1.1-1～B.1.1-4計(jì)算[11]。式中，σ0—水躍淹沒系數(shù)，取1.05；α—水流動能修正系數(shù)，取1.05。

消力池長度根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2018)附錄B中B.1.2-1～B.1.2-2計(jì)算，海漫長度根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2018)附錄B中B.2-1計(jì)算。根據(jù)施工圖《A標(biāo)段溢洪道結(jié)構(gòu)總布置圖》(圖號：DZ86D.5-4-01)，50a一遇洪水時消力池深度為3.1m，范圍0+106.56～0+0+166.56，長度為60m，消力池設(shè)輔助消能工海漫范圍0+167.56～0+233.06，長度為65.5m。溢洪道的泄流能力和消力池的消能效果，能保證上游庫區(qū)和下游河道的泄流安全，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.4溢洪道泄洪閘墩頂部高程復(fù)核

本工程校核洪水位為142.026m，因此，溢洪道泄洪閘閘墩頂部高程要求在宣泄校核洪水時為142.026+0.4=142.426m(2級建筑物安全價(jià)高下限值，泄洪工況時取0.4)，實(shí)測閘墩頂高程144.0m，所以現(xiàn)狀溢洪道泄洪閘閘墩頂高程能滿足規(guī)范要求。

2.2.5溢洪道泄洪閘閘墩及堰體穩(wěn)定復(fù)核

(1)巖土物理力學(xué)指標(biāo)。溢洪道控制段基礎(chǔ)為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，地基產(chǎn)生不均勻沉降的可能性較小，閘基巖石(體)物理力學(xué)參數(shù)建議值，見表9。

表9 閘基巖石(體)物理力學(xué)參數(shù)建議值

(2)計(jì)算公式。抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式，公式如下：

(17)

式中，f′—抗剪斷摩擦系數(shù)，弱風(fēng)化巖取0.8；C′—抗剪斷黏聚力系數(shù)，弱風(fēng)化巖取0.7MPa。

(3)基底應(yīng)力計(jì)算。

(18)

泄洪閘閘室基礎(chǔ)為巖基，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)7.3.14條，抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1，荷載組合為基本組合時K1取3.0，特殊組合I時K1取2.5.

(4)計(jì)算工況。閘墩及堰體穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算正常運(yùn)用工況：①水庫正常蓄水位，閘門關(guān)閉時閘墩及堰體穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算；②水庫設(shè)計(jì)洪水位，閘門關(guān)閉時閘墩及堰體穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。非常運(yùn)用工況I：水庫校核洪水位，閘門全開時閘墩及堰體穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

(5)復(fù)核結(jié)果。閘室穩(wěn)定應(yīng)力復(fù)核結(jié)果見表10。

表10 閘室穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，溢洪道基底沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大垂直正應(yīng)力小于地基承載力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)定的最小值，滿足規(guī)范要求。

2.2.6溢洪道邊墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核

邊墻地基主要力學(xué)指標(biāo)同閘室，詳見閘基巖石(體)物理力學(xué)參數(shù)建議值。

(1)計(jì)算工況。邊墻結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算的工況：①基本組合：正常蓄水位；設(shè)計(jì)洪水位；②特殊組合I：校核洪水位置。

(2)擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值。抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用式(17)計(jì)算。

(3)復(fù)核成果。擋土墻穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表11，計(jì)算結(jié)果表明邊墻抗滑及抗傾穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，基底最大垂直壓應(yīng)力小于地基容許壓應(yīng)力(弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖)，基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。

表11 擋土墻穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果

2.2.7溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)查結(jié)論

(1)經(jīng)復(fù)查，溢洪道泄洪閘過水能力能滿足最大泄流量的要求。

(2)溢洪道泄槽段最大泄流時的水面線復(fù)核結(jié)果滿足規(guī)范要求，溢洪道閘墩頂部高程滿足規(guī)范要求。

(3)溢洪道泄洪閘閘室閘墩、堰體、邊墻滿足抗滑、抗傾覆穩(wěn)定要求，地基承載力滿足要求。

(4)消能工復(fù)核滿足規(guī)范要求。

2.3 輸水建筑物安全復(fù)核

2.3.1電站進(jìn)水口事故閘安全復(fù)核

電站進(jìn)水口事故閘基礎(chǔ)為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

計(jì)算工況：選用正常蓄水位138.00m，檢修工況進(jìn)行復(fù)核；檢修工況為特殊組合I；電站進(jìn)水口事故閘閘室穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果見表12。計(jì)算表明2個閘基抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表12 電站進(jìn)水口事故閘閘室穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果

2.3.2電站輸水涵管安全設(shè)計(jì)復(fù)核

(1)過流能力計(jì)算。電站1進(jìn)水口事故閘于在輸水涵管前段內(nèi)套Φ2.35m鋼管，涵管進(jìn)口中心線高程為128.5m，電站2套Φ1.55m鋼管，進(jìn)口中心線高程為129.6m。

輸水涵管加套管加固后的過流能力復(fù)核如下：

(19)

式中，uc—管道流量系數(shù)，取0.4。

計(jì)算得輸水涵管的水位～流量見表13。

表13 輸水涵管水位～流量表

(2)內(nèi)套鋼管結(jié)構(gòu)復(fù)核。承受內(nèi)水壓力計(jì)算公式：

(20)

(21)

式中，γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；水工建筑物級別2級，鋼管結(jié)構(gòu)安全級別Ⅱ級，取1.0；ψ—設(shè)計(jì)狀況系數(shù)；持久狀況，取1.0；rd—結(jié)構(gòu)系數(shù)；管型為壩內(nèi)埋管，內(nèi)力種類為軸力單獨(dú)校核，取1.0；f—鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)，Q345鋼材對應(yīng)的值為295。

抗外壓穩(wěn)定計(jì)算公式：

(22)

式中，Re—鋼材屈服點(diǎn)，N/mm2，取規(guī)范中表4.1.4中fsk，Q345鋼材對應(yīng)的fsk=330N/mm2。

計(jì)算成果見表14—15。根據(jù)水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范(NB/T 35056—2015)9.1.1條對管壁的厚度要求，當(dāng)鋼管內(nèi)徑<1.6m時，最小厚度為6mm[12-13]。

表14 鋼管承受內(nèi)壓強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算表

表15 鋼管抗外壓穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算表

計(jì)算結(jié)果表明，鋼管實(shí)際管壁厚度大于復(fù)核計(jì)算厚度，管壁抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，因此原加固設(shè)計(jì)采用10mm滿足要求。

2.4 排沙箱涵結(jié)構(gòu)復(fù)核

工況情況：①基本組合：水庫正常蓄水位138m，箱涵無水；②特殊組合：水庫校核洪水位142.982m，箱涵無水。

計(jì)算成果表明，實(shí)際配筋可滿足正常使用及裂縫寬度開展要求。

2.5 排洪涵結(jié)構(gòu)復(fù)核

結(jié)合排洪涵實(shí)際情況，工況情況同排沙箱涵。土壓力取箱涵覆土高度土重，外水壓力取計(jì)算位置處浸潤線水頭，箱涵計(jì)算斷面取壩軸線處[14]。計(jì)算成果表明，實(shí)際配筋可滿足正常使用及裂縫寬度開展要求。

3 結(jié)果

(1)各壩的壩頂高程滿足規(guī)范要求，大壩上游護(hù)坡除右1#和右8#副壩為草坡護(hù)坡易被波浪淘刷，不滿足規(guī)范要求外，其余大壩的干砌石護(hù)坡厚度均滿足規(guī)范要求，在各種工況下背水坡壩腳滲透量較小。大壩在計(jì)算的各工況下，抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

(2)泄水建筑物過流能力能滿足泄流要求，溢洪道進(jìn)水渠側(cè)墻頂部高程滿足規(guī)范要求，控制段、泄槽段側(cè)墻頂部高程均滿足規(guī)范要求；閘室閘墩、堰體、邊墻滿足抗滑、抗傾覆穩(wěn)定要求。消力池距大壩下游壩坡有約55m距離，消力池出現(xiàn)險(xiǎn)情時不會危及大壩安全，滿足要求。

(3)電站進(jìn)水口穩(wěn)定、應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，輸水涵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，輸水涵經(jīng)過前期加固處理，目前運(yùn)行正常。

(4)排沙箱涵與龍北排洪箱涵計(jì)算成果表明，實(shí)際配筋可滿足承載力極限狀態(tài)及正常使用狀態(tài)裂縫開展寬度要求。

整體而言，大壩壩體及輸、泄水建筑物結(jié)構(gòu)安全，但個別副壩上游護(hù)坡易被波浪淘刷，不滿足規(guī)范要求，故結(jié)構(gòu)安全等級評價(jià)為B級。

4 建議

結(jié)合該水利工程大壩存在的問題，提出以下建議。

(1)對主壩和左1#副壩局部壩段進(jìn)行灌漿防滲處理，增加右1#、右8#上游干砌石護(hù)坡及反濾層，右1#、右2#和右7#副壩下游貼坡排水體設(shè)置，加高左2#、左4#副壩貼坡排水體。

(2)主壩上游壩坡盡快完善護(hù)坡，壩頂防浪墻進(jìn)行修整恢復(fù)，壩頂泥結(jié)石路面及防汛路面按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行砼硬化。

(3)對溢洪道泄槽底板、隔流墻、邊墻的裂縫和局部滲水點(diǎn)進(jìn)行處理，以免對附近農(nóng)田造成不利影響[15]。

(4)處理排沙和排洪箱涵的滲漏、裂縫、露筋等缺陷，并增加事故閘門。

(5)對溢洪道、排沙箱涵的工作閘門面板及溢洪道工作閘門主梁結(jié)構(gòu)，不符合規(guī)范要求的，進(jìn)行加固或更換處理。

綜上所述，該水利工程結(jié)構(gòu)安全等級評價(jià)為B級，評價(jià)結(jié)果與實(shí)際工程的運(yùn)行情況相符，可為類似的水利工程結(jié)構(gòu)安全評價(jià)提供一定的參考價(jià)值。