密云水庫(kù)高水位運(yùn)行工程性態(tài)分析與評(píng)價(jià)

周上梯

(北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101512)

1 工程概況

密云水庫(kù)總庫(kù)容43.75億m3，為華北地區(qū)最大的水庫(kù)，是一座具有防洪、供水等多種功能、多年調(diào)節(jié)的大型水利樞紐[1]。工程于1958年9月動(dòng)工興建，1959年汛期攔洪，1960年9月基本建成。水庫(kù)工程按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)水位157.50m，校核水位158.50m，汛期限制水位152.00m，死水位126.00m[2]。

密云水庫(kù)水工建筑物及附屬設(shè)施眾多，主要包括7座主副壩、3座溢洪道、7條輸泄水隧洞、1座電站和1座調(diào)節(jié)池。監(jiān)測(cè)設(shè)施包括233個(gè)測(cè)壓管、12個(gè)量水堰、180個(gè)變形標(biāo)點(diǎn)、14個(gè)三向測(cè)縫儀等[3]。

2 高水位運(yùn)行情況

2021年，密云水庫(kù)蓄水量、降水量、降雨場(chǎng)次均創(chuàng)歷史之最。年初庫(kù)水位148.27m，因汛期連續(xù)降雨影響，庫(kù)水位穩(wěn)步抬升，7月20日時(shí)隔22年后重回150.00m以上；8月23日突破了1994年歷史最高水位153.98m，隨后水位不斷攀升，10月1日庫(kù)水位達(dá)到155.30m，相應(yīng)蓄水量35.793億m3，創(chuàng)造了密云水庫(kù)庫(kù)水位和蓄水量新紀(jì)錄。自2021年以來(lái)，水庫(kù)持續(xù)處于高水位運(yùn)行狀態(tài)，2023年10月8日，庫(kù)水位151.69m，相應(yīng)蓄水量29.883億m3[4]。

3 滲流和變形監(jiān)測(cè)分析

3.1 滲流監(jiān)測(cè)分析

滲流監(jiān)測(cè)分析基于2021年9月30日滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行，當(dāng)日庫(kù)水位155.28m，接近歷史最高水位155.30m，從繪制的白河主壩0+433橫斷面浸潤(rùn)線圖(見(jiàn)圖1)可知，浸潤(rùn)線較低且位于覆蓋層中，低于設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線和歷史實(shí)測(cè)最高浸潤(rùn)線，說(shuō)明該壩防滲效果良好；從匯總的主副壩滲透比降統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)數(shù)據(jù)可以看出，典型斷面滲透坡降均低于規(guī)范允許值0.1，說(shuō)明壩體不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

表1 密云水庫(kù)大壩滲透比降統(tǒng)計(jì)

圖1 白河主壩0+433橫斷面浸潤(rùn)線(單位：m)

同時(shí)結(jié)合過(guò)程線法、位勢(shì)法、等水位線法等方法分析可知：各建筑物浸潤(rùn)線、滲透坡降、滲流出逸點(diǎn)高程、滲流量等均低于設(shè)計(jì)值；從繪制的測(cè)壓管水位過(guò)程線可以看出，測(cè)壓管水位總體趨勢(shì)隨庫(kù)水位升降而升降；位勢(shì)計(jì)算結(jié)果表明，各建筑物典型斷面位勢(shì)接近于常數(shù)，滲透穩(wěn)定，滲流場(chǎng)變化趨勢(shì)合理[5]。

3.2 變形監(jiān)測(cè)分析

變形監(jiān)測(cè)分析以潮河主壩為例，從繪制的縱斷面沉陷量分布圖可知，該壩在運(yùn)行初期沉陷速度較快，后隨著時(shí)間推移而逐漸減緩，到1994年以后沉陷已趨穩(wěn)定，大壩沉陷基本完成；沉陷總體呈現(xiàn)同一橫斷面壩頂大壩底小、同一縱斷面壩中大壩端小的特點(diǎn)，說(shuō)明沉陷量的大小與大壩填筑高度成正比；由沉陷率計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表2)可以看出，各標(biāo)點(diǎn)沉陷率在1.66‰～3.45‰之間，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，累計(jì)最大沉陷量是下游第一排樁號(hào)下0+400處的沉陷量168mm，在潮河主壩的最大壩高處，與大壩沉陷規(guī)律相符；由潮河主壩2022年下游第一排水平位移量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表3)可以看出，位移標(biāo)點(diǎn)年位移量均為0，最大累計(jì)位移量為55mm(下0+300)。在高水位運(yùn)行工況下，大壩的沉陷量和水平位移并沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明大壩變形已經(jīng)穩(wěn)定。

表2 潮河主壩沉陷情況統(tǒng)計(jì)

表3 潮河主壩下游第一排標(biāo)點(diǎn)位移量統(tǒng)計(jì)

綜合各水工建筑物的變形監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，各主副壩、溢洪道水平位移年間隔變形值在2mm范圍內(nèi)，最大累計(jì)水平位移值為南石駱駝副壩0+330斷面的114mm(截至2022年)；豎向位移年間隔變形值在6mm范圍內(nèi)，最大累計(jì)沉陷值為白河主壩0+300斷面的376mm(截至2022年)，累計(jì)變形值在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；從沉陷量過(guò)程線圖可看出，大多數(shù)標(biāo)點(diǎn)過(guò)程線斜率變化較小，沉降趨于穩(wěn)定；壩體中間部位沉陷量明顯大于壩體兩端，壩體變形符合土石壩變形規(guī)律[6]。

4 重點(diǎn)建筑物復(fù)核計(jì)算與分析

4.1 白河主壩斜墻滲透穩(wěn)定性復(fù)核分析

白河主壩為密云水庫(kù)主要擋水建筑物之一，壩長(zhǎng)960.2m，壩高66.4m，壩體采用黏土斜墻防滲(見(jiàn)圖2)，壩基采用混凝土防滲墻、黏土水泥帷幕灌漿、壤土齒槽聯(lián)合防滲的形式。

圖2 白河主壩橫斷面(單位：m)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析該壩下游壩體管及覆蓋層管管水位，下游水位均位于壩基覆蓋層內(nèi)，基本維持在80.00m左右。盡管近年來(lái)水庫(kù)蓄水增加，特別是2021年10月1日達(dá)到歷史最高水位155.30m，下游測(cè)壓管水位有所增加，但仍保持在80.00～82.00m之間，始終較設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線低14m左右。該情況充分說(shuō)明大壩的整體防滲效果良好。但上下游水位差增加可能導(dǎo)致壩體內(nèi)防滲斜墻滲透穩(wěn)定性不足，有必要進(jìn)一步復(fù)核斜墻厚度[7]。

經(jīng)查閱白河主壩設(shè)計(jì)資料，大壩上游萬(wàn)年一遇校核洪水位為158.50m，斜墻底部高程為95.00m，墻底處承受最大水頭為63.50m。按原設(shè)計(jì)允許滲透梯度5.15計(jì)算斜墻底厚度為12.33m[8]。而根據(jù)大壩下游壩體覆蓋層測(cè)壓管水位實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，斜墻底部實(shí)際最大水頭為75m，按允許滲透梯度5.15計(jì)算斜墻底厚度為14.56m。而據(jù)白河主壩除險(xiǎn)加固資料，在1977年11月完成白河主壩抗震加固后，斜墻底部增厚達(dá)到15.5m，頂部寬度達(dá)到3m，現(xiàn)狀斜墻厚度滿足原設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也滿足現(xiàn)行《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)中土質(zhì)防滲體頂部水平寬度不小于3m、斜墻底部厚度不小于水頭的1/5的規(guī)定[9]。通過(guò)上述復(fù)核計(jì)算分析可知，白河主壩斜墻上下游雖實(shí)測(cè)水頭高于設(shè)計(jì)水頭，但斜墻厚度在設(shè)計(jì)允許和規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，故斜墻滲透穩(wěn)定性滿足安全運(yùn)行要求。

4.2 第二溢洪道閘首抗滑穩(wěn)定性分析

第二溢洪道是密云水庫(kù)主要泄水建筑物之一，河岸開(kāi)敞式，溢流堰為真空剖面堰，高3m，堰頂高程148.50m，最大泄量4250m3/s。閘首設(shè)5孔弧形閘門(mén)，孔口尺寸為12m×9.2m(見(jiàn)圖3)。

圖3 第二溢洪道平面布置(單位：m)

第二溢洪道在4個(gè)中墩設(shè)置了10根基巖測(cè)壓管。通過(guò)分析各測(cè)壓管水位可知，2001年后庫(kù)水位低于管底高程期間，中墩上游4根測(cè)壓管1～4號(hào)干孔，為正?，F(xiàn)象；其余測(cè)壓管水位均高于庫(kù)水位，且在汛期變幅較大，屬異?，F(xiàn)象，分析原因?yàn)槭芙邓绊懲馑M(jìn)入管中導(dǎo)致。進(jìn)一步分析近兩年測(cè)壓管數(shù)據(jù)可知，隨庫(kù)水位在147.10～155.30m范圍變動(dòng)，1～4號(hào)管水位相應(yīng)在143.00～147.90m范圍變動(dòng)，變化趨勢(shì)一致；其余測(cè)壓管水位受降水影響仍表現(xiàn)出變幅較大、經(jīng)常高于庫(kù)水位的異?，F(xiàn)象。因1～4號(hào)測(cè)壓管水位能夠較為真實(shí)地反映堰底滲透壓力，故選取上述4個(gè)測(cè)壓管管水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，可得出堰底滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)α最大值為0.5。

依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)確定設(shè)防地震動(dòng)峰值加速度的分區(qū)值為0.20g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。第二溢洪道為1級(jí)建筑物，按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51274—2018)確定工程抗震設(shè)防類別為甲類，應(yīng)在基本烈度上提高1度作為設(shè)計(jì)烈度，按場(chǎng)地類別調(diào)整后的水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度代表值相應(yīng)增加1倍。

在此基礎(chǔ)上復(fù)核閘首穩(wěn)定性(見(jiàn)圖4)，選擇正常蓄水位157.50m工況和閘上擋水位為157.50m時(shí)遭遇地震工況，按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算堰體和中墩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。參照1996年5月清華大學(xué)水利水電工程系完成的《潮河第二溢洪道工程安全檢查總報(bào)告》中的相關(guān)參數(shù)取值：堰底滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)α采用0.5；巖石定為中等，堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷黏聚力c′可取0.9MPa，但因二道施工中基礎(chǔ)開(kāi)挖放了大炮，經(jīng)研究以c′=0.15～0.30MPa進(jìn)行計(jì)算；堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′采用0.60[10]。本次復(fù)核計(jì)算中，因閘首巖石基礎(chǔ)主要由花崗片麻巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖組成，雖施工時(shí)放炮一定程度上影響其整體性，而c′=0.15～0.30MPa已處Ⅴ類巖石區(qū)間，綜合閘首高水位運(yùn)行工作狀態(tài)和閘基巖性，取c′=0.30MPa。

圖4 第二溢洪道閘首斷面(單位：m)

由計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表4)可以看出，堰體和中墩在正常蓄水位工況和地震工況下的抗滑穩(wěn)定性均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求[11]?？紤]到施工時(shí)放炮對(duì)閘墩巖石基礎(chǔ)的影響，在以后的運(yùn)行管理中須加密巡視檢查和加強(qiáng)監(jiān)測(cè)分析，可采取在閘首下游側(cè)布設(shè)鉆孔鉆芯取樣的方式進(jìn)行勘查和研判，以進(jìn)一步復(fù)核分析巖石基礎(chǔ)的實(shí)際特性，更加精確地復(fù)核計(jì)算閘首抗滑穩(wěn)定性。

表4 閘首抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

5 結(jié) 語(yǔ)

密云水庫(kù)建成至今已安全運(yùn)行60多年，綜合近年高水位運(yùn)行工程巡視檢查情況、工情監(jiān)測(cè)分析情況、重點(diǎn)建筑物復(fù)核計(jì)算分析情況及工程設(shè)施勘察、設(shè)計(jì)、建設(shè)、加固、改造情況和歷次安全檢查、安全鑒定、抗震復(fù)查結(jié)論分析研判，密云水庫(kù)主要水工建筑物滲流正常，變形穩(wěn)定，滲透穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，工程安全狀況總體良好，能夠保證設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行安全。