陜西省渭南市紅石崖水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

姚 亮

(渭南市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,陜西 渭南 714000)

1 工程概況

紅石崖水庫位于延安市黃龍縣紅石崖鄉(xiāng)曹家河村旁,原設(shè)計(jì)是一座集灌溉、供水為一體的Ⅳ等小(1)型綜合利用水庫。壩址以上控制流域面積49.8 km2,2004年除險(xiǎn)加固后設(shè)計(jì)總庫容381.93萬 m3,其中:興利庫容267.10萬 m3,調(diào)洪庫容92.93萬 m3,死庫容21.9萬 m3。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪洞、放水洞三部分組成。

泄洪洞位于大壩左岸,進(jìn)口采用側(cè)堰,堰頂高程1 050.70 m,堰寬15 m,泄洪洞總長276.23 m,其中隧洞段長229 m,校核洪水下泄流量224.6 m3/s。

放水設(shè)施位于大壩右壩肩,設(shè)計(jì)流量1.0 m3/s,設(shè)計(jì)水深0.61 m,由放水塔、放水隧洞、暗涵組成,其隧洞段長130 m,暗涵60 m。

表1 紅石崖水庫調(diào)洪演算成果表

2 樞紐工程存在的主要問題

根據(jù)紅石崖水庫大壩安全鑒定、核查意見及本階段工作成果,認(rèn)為紅石崖水庫目前存在的問題主要包括:

1)紅石崖水庫下游壩坡不穩(wěn)定;壩頂防浪墻漿砌石多處出現(xiàn)墻體裂縫、砂漿脫落現(xiàn)象,整體結(jié)構(gòu)已破壞;大壩下游岸坡排水溝破損、淤積嚴(yán)重,壩面無排水系統(tǒng)及踏步。

2)下游坡戧臺(tái)與左岸結(jié)合部位存在繞壩滲漏。

3)泄洪洞進(jìn)口側(cè)堰基礎(chǔ)存在滲漏,挑流出口外側(cè)溝道沖刷淘刷嚴(yán)重,影響泄洪安全。

4)放水塔內(nèi)閘門年久失修,銹蝕變形嚴(yán)重,啟閉機(jī)電動(dòng)部分損壞,不能正常放水。

3 現(xiàn)狀壩頂高程復(fù)核

3.1 水文成果

經(jīng)調(diào)洪演算分析,紅石崖水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇(P=3.3%)溢洪洞最大下泄流量為94.4 m3/s,設(shè)計(jì)洪水位為1 052.82 m,300 a一遇(P=0.33%)溢洪洞最大下泄流量為214.2 m3/s,校核洪水位為1 054.17 m。

3.2 壩頂高程計(jì)算工況選取

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020),設(shè)計(jì)壩頂高程為水庫靜水位與壩頂超高之和,應(yīng)按以下運(yùn)用條件計(jì)算,取其最大值作為設(shè)計(jì)壩頂高程。

(1)工況一:設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用條件的壩頂超高;

(2)工況二:正常蓄水位+正常運(yùn)用條件的壩頂超高;

(3)工況三:校核洪水位+非常運(yùn)用條件的壩頂超高;

(4)工況四:正常蓄水位+非常運(yùn)用條件的壩頂超高+地震安全加高。

3.3 壩頂超高計(jì)算

壩頂超高計(jì)算公式:Y=R+e+A

(1)

式中:R為波浪爬高(m);e為最大風(fēng)壅水面高度(m);A為安全加高。

壩頂高程計(jì)算成果詳見表2。

計(jì)算最大壩頂高程為1 054.20 m,原現(xiàn)狀壩頂高程為1 054.30 m,高于本次復(fù)核壩頂高程,壩頂高程滿足防御設(shè)計(jì)洪水,結(jié)構(gòu)安全,故本次大壩改造壩頂高程維持現(xiàn)狀不變。

4 現(xiàn)狀壩體滲流及穩(wěn)定分析

4.1 現(xiàn)狀土工膜防滲效果分析

根據(jù)水庫上游庫水位為1038.70 m及上游庫水位為1 049.31 m時(shí)的實(shí)測(cè)浸潤線的分布與該水位情況下的理論浸潤線分布進(jìn)行對(duì)比可知:當(dāng)上游庫水位為1 038.7 m時(shí),實(shí)測(cè)理論浸潤線與無膜理論浸潤線基本重合,土工膜沒有起到防滲效果(圖1);當(dāng)上游庫水位為1 049.31 m時(shí),實(shí)測(cè)理論浸潤線位于無膜理論浸潤線和有膜浸潤線之間,且靠近位置靠近無膜時(shí)浸潤線的工況,表明上游土工膜雖然起了一定作用,但由于破損等因素,起到防滲效果較弱(圖2)。

表2 壩頂高程計(jì)算成果表

圖1 庫水位為1 038.70 m時(shí)實(shí)測(cè)浸潤線與理論浸潤線對(duì)比圖

圖2 庫水位為1 049.30 m時(shí)實(shí)測(cè)浸潤線與理論浸潤線對(duì)比圖

4.2 現(xiàn)狀壩體滲流及穩(wěn)定復(fù)核

4.2.1 滲流計(jì)算及滲透穩(wěn)定分析

斷面選擇:設(shè)計(jì)選取大壩最大斷面處樁號(hào)0+077。

(1)計(jì)算工況

放水洞運(yùn)行期設(shè)計(jì)流量為1 m3/s,依據(jù)庫容曲線,正常需水工況每天水位降幅很小,故不計(jì)洪水位降落工況。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020),結(jié)合運(yùn)行方式,本設(shè)計(jì)滲流分析計(jì)算工況為:

穩(wěn)定滲流期(上游水位為正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m);

(2)計(jì)算參數(shù)

壩體分區(qū)滲透指標(biāo)依據(jù)地勘資料選取,具體滲流穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)成果見表3。

表3 壩體分區(qū)滲透指標(biāo)表

(3)滲流計(jì)算

計(jì)算方法采用滲流場(chǎng)數(shù)值分析有限單元法,按照河海大學(xué)工程工學(xué)研究所研制的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)《AutoBank 7.07》計(jì)算程序具體分析計(jì)算。計(jì)算成果見表4。

表4 壩體填土滲流計(jì)算成果表

從表4可以看出,壩體滲透比降小于允許滲透比降,滿足規(guī)范要求。

大壩滲流分析計(jì)算,壩體最大斷面單寬滲流量為1.05 m3/(d·m) ,每天滲流量為155 m3/d ,年滲流量5.66萬 m3。

4.2.2 現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定分析

斷面選擇:斷面選取以大壩最大斷面處樁號(hào)0+077。

(1)計(jì)算工況

該水庫大壩位于Ⅶ度地震區(qū),依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2020),確定壩坡穩(wěn)定分析的工況為:

1)穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡(上游水位為正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m);

2)穩(wěn)定滲流期遭遇地震工況的上、下游壩坡(上游水位為正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m)。

(2)計(jì)算參數(shù)

大壩各分區(qū)土層物理力學(xué)指標(biāo)見表5。

表5 大壩分區(qū)土層物理力學(xué)指標(biāo)

(3)計(jì)算方法

計(jì)算方法采用簡(jiǎn)化畢肖普法,利用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)《AutoBank 7.07》分析計(jì)算。

(4)計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法的安全系數(shù),壩體浸潤線采用下游有排水棱體及河床無水情況下的計(jì)算浸潤線,計(jì)算結(jié)果見表6,上、下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧位置見下圖所示。

表6 現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定分析成果表

計(jì)算結(jié)果表明,大壩樁號(hào)0+077斷面處上游壩坡抗滑穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求,下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在穩(wěn)定滲流期及穩(wěn)定滲流期遭遇地震工況均小于規(guī)范允許值。

圖3 現(xiàn)狀壩坡(樁號(hào)0+077)正常運(yùn)行最危險(xiǎn)滑弧位置圖

圖4 現(xiàn)狀壩坡(樁號(hào)0+077)地震工況最危險(xiǎn)滑弧位置圖

5 大壩加固方案

根據(jù)上述大壩穩(wěn)定分析結(jié)果可知:大壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)偏小,不滿足相關(guān)規(guī)范的要求,分析其原因,主要由于大壩上游防滲效果不佳,浸潤線升高,造成飽和土體的增加,抗剪強(qiáng)度降低造成的,本次設(shè)計(jì)主要從降低壩體浸潤線和壩坡培厚等方案解決大壩失穩(wěn)問題。

(1)方案一:降低大壩浸潤線

從實(shí)測(cè)浸潤線觀測(cè)的結(jié)果,可知大壩上游防滲效果不佳,本次方案一沿壩軸線現(xiàn)澆C25砼導(dǎo)墻,導(dǎo)墻內(nèi)利用沖擊鉆機(jī)+抓斗進(jìn)行成槽,形成40 cm塑性砼防滲墻。防滲墻墻頂上限為水庫正常蓄水位加50 cm(1 051.20 m),下限為嵌入基巖以下1.5 m,防滲范圍為整個(gè)壩段。該方案無需對(duì)壩坡進(jìn)行培厚,后期的水保、環(huán)保措施費(fèi)用相對(duì)較低,但施工費(fèi)用偏大。

(2)方案二:壩體培厚

該方案施工工序簡(jiǎn)單,質(zhì)量有保證,施工費(fèi)用相對(duì)較低,但施工周期長。

經(jīng)綜合分析,選擇大壩下游培厚方案。經(jīng)穩(wěn)定分析計(jì)算,大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,培厚后的下游壩坡安全系數(shù)見表7。

表7 培厚后壩體穩(wěn)定分析成果表

6 結(jié)語

紅石崖水庫大壩除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)編制工作于2022年7月順利通過了省水利廳組織的專家評(píng)審。目前,水庫除險(xiǎn)加固施工正在進(jìn)展中,預(yù)計(jì)2023年6月水庫除險(xiǎn)加固圓滿結(jié)束。隨著除險(xiǎn)加固工作的完成,水庫將會(huì)發(fā)揮其原有的灌溉、供水功能,給當(dāng)?shù)卮迕駧砭薮蟮男б妗?/p>