甘肅永昌皇城水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)分析

何永祥

(永昌縣皇城水庫(kù)管理所，甘肅 金昌 737200)

1 研究數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)概況

皇城水庫(kù)原名皇城灘水庫(kù)，位于甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮(zhèn)境內(nèi)，南距青海省門(mén)源回族自治縣62 km，北距永昌縣城47 km，距金昌市區(qū)110 km。壩址位于東大河上游的駱駝脖子處，屬石羊河流域，控制流域面積1030 km2，總庫(kù)容8000萬(wàn)m3，是一座以工農(nóng)業(yè)用水為主，結(jié)合防洪、發(fā)電的綜合利用中型水庫(kù)。水庫(kù)正常蓄水位2542.0 m，汛期限制水位2539.8 m，最低運(yùn)行水位2520.0 m。防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，設(shè)計(jì)洪水位2542.7 m；1000 a一遇洪水校核，校核洪水位2543.7 m。工程等別Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別3級(jí)，抗震設(shè)防烈度Ⅷ度[1-8]。

1.2 計(jì)算斷面和滲透系數(shù)的選取

大壩共布置22個(gè)滲流壓力測(cè)點(diǎn)，位于0+060、0+165、0+265、0+375、0+425斷面。因0+165斷面較大，可用于對(duì)比計(jì)算浸潤(rùn)線和實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線，驗(yàn)證計(jì)算成果合理性。因此，本次安全評(píng)價(jià)選取0+165為計(jì)算斷面。根據(jù)大壩斷面特點(diǎn)和歷次地勘成果，將計(jì)算斷面劃分成砂礫石壩體、壤土斜墻、混凝土防滲墻、貼坡排水體、河床卵石覆蓋層、基巖強(qiáng)風(fēng)化帶、基巖相對(duì)不透水層等分區(qū)。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料和2020年安全鑒定資料。大壩0+165斷面滲流計(jì)算各區(qū)滲透系數(shù)初始值見(jiàn)表1。

表1 大壩 0+165 斷面滲流計(jì)算各區(qū)滲透系數(shù)初始值

1.3 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)規(guī)范選用簡(jiǎn)化畢肖普法，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為土條重量，kN；V為垂直地震慣性力(向上為負(fù)，向下為正)，kN；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，(°)；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m；b為土條寬度，m；φ′為土條底面的內(nèi)摩擦角，(°)；c′為土條底面的凝聚力，kPa；Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

根據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2017)，對(duì)3級(jí)以下的中低壩，采用直接慢剪試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。2020 年安全鑒定地勘試驗(yàn)方式為原狀快剪和飽和快剪，因快剪試驗(yàn)參數(shù)偏安全，因此，本次復(fù)核計(jì)算仍采用前期地勘飽和快剪試驗(yàn)指標(biāo)，各主要分區(qū)材料物理性質(zhì)指標(biāo)與力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 皇城水庫(kù)大壩滲流安全分析

2.1.1 大壩滲透系數(shù)反演分析

2022年4月1日庫(kù)水位(2541.18 m)相對(duì)較高，以當(dāng)日0+165斷面滲流壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可繪制實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線。2022年4月1日K07、K08、K09水位分別為2497.02 m、2496.99 m、2496.47 m，下游水位2495.53 m，以此水位為參照進(jìn)行反演分析。以表1中的初始滲透系數(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)測(cè)測(cè)壓管水位為參照標(biāo)準(zhǔn)，做逐步調(diào)整滲透系數(shù)的反演計(jì)算，直至計(jì)算值與實(shí)測(cè)測(cè)壓管水位較為接近。經(jīng)調(diào)整0+165斷面壤土斜墻滲透系數(shù)為5×10-6cm/s，滲流計(jì)算浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線較為接近[9]。

2.1.2 特征水位下滲流計(jì)算分析

以反演計(jì)算確定的0+165計(jì)算斷面各區(qū)材料滲透系數(shù)為依據(jù)，作特征水位下滲流有限元計(jì)算分析，特征水位計(jì)算工況見(jiàn)表3。

壤土斜墻消殺約90%的水頭，起到了主要的防滲作用，滲流不會(huì)從下游壩坡出逸?；炷练罎B墻計(jì)算最大滲透坡降為54.2，未超過(guò)混凝土防滲墻允許滲透坡降經(jīng)驗(yàn)值 80～100，混凝土防滲墻滲透穩(wěn)定。壤土斜墻下游滲流出口部位計(jì)算最大滲透坡降 0.19，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)計(jì)算得壩體壤土斜墻允許滲透坡降為0.74，計(jì)算最大滲透坡降小于允許坡降值，且壤土斜墻下游與砂礫石壩體接觸處設(shè)置厚70 cm的反濾層，壤土斜墻下游滲流出口滲透穩(wěn)定。三種工況下最大總滲漏量約為149萬(wàn)m3/a，占多年平均來(lái)水量比例較小，因此，大壩滲漏量總體不大。綜上可見(jiàn)，滲流計(jì)算復(fù)核表明大壩滲流安全[10-15]。

2.1.3 輸水發(fā)電隧洞、輸水泄洪隧洞滲流安全評(píng)價(jià)

輸水發(fā)電隧洞(1#隧洞)與輸水泄洪隧洞(2#隧洞)均設(shè)在大壩左岸，均為巖體中開(kāi)鑿的深式進(jìn)口圓形壓力隧洞，直徑4.0 m，縱坡1/200；進(jìn)口底板高程均為2506.0 m，略高于壩址河床高程；巖石堅(jiān)硬完整，透水性小，無(wú)軟弱夾層，無(wú)大斷層通過(guò)。兩座隧洞工程地質(zhì)條件總體較好。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，兩座隧洞出口未見(jiàn)異常滲水現(xiàn)象，輸水泄洪隧洞襯砌表面存在局部滲水、破損等缺陷，暫不影響工程安全運(yùn)行，兩座隧洞滲流基本安全。

2.2 皇城水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)安全分析

2.2.1 計(jì)算成果分析

計(jì)算采用河海大學(xué)開(kāi)發(fā)的 autobank 軟件，對(duì)壩體不同工況的壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。0+165斷面壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算成果見(jiàn)表4。由計(jì)算成果可見(jiàn)，在正常運(yùn)用條件及非常運(yùn)用條件Ⅰ下，上、下游壩坡靜力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值。因此，大壩上、下游壩坡靜力抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

表4 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果

2.2.2 輸水發(fā)電隧洞、輸水泄洪隧洞結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

輸水發(fā)電隧洞、輸水泄洪隧洞進(jìn)水塔采用豎井式，整體穩(wěn)定性好，不再進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核。通過(guò)計(jì)算，輸水發(fā)電隧洞、輸水泄洪隧洞出口工作閘室在基本組合和偶然組合下，抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足要求，工程可安全運(yùn)行。

3 結(jié) 論

(1)大壩壩體壩基滲流和反濾排水設(shè)施完善，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。復(fù)核計(jì)算與實(shí)測(cè)壩體壩基滲流壓力、滲流量變化規(guī)律正常，滲透坡降均低于材料允許值，三種工況下最大總滲漏量約為149萬(wàn)m3/a，占多年平均來(lái)水量比例較小，因此，大壩滲漏量總體不大，不存在滲透穩(wěn)定性問(wèn)題。

(2)輸水發(fā)電隧洞與輸水泄洪隧洞工程地質(zhì)條件好，巖石透水性弱，現(xiàn)場(chǎng)檢查輸水泄洪隧洞襯砌表面存在局部滲水、破損等缺陷，雖不影響工程安全運(yùn)行，需加強(qiáng)維修養(yǎng)護(hù)。

(3)大壩上下游壩坡靜力抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算滿足規(guī)范要求，壩頂寬度、上下游護(hù)坡、步梯設(shè)置等滿足規(guī)范要求，不存在危及安全的異常變形。綜上所述，皇城水庫(kù)大壩安全性評(píng)定為A級(jí)。