龍九水庫大壩加固方案及復(fù)核計算分析

雷 剛

（贛州市天鷹水利水電規(guī)劃設(shè)計有限公司，江西 贛州 341000）

水庫安全關(guān)乎人民群眾生命財產(chǎn)安全，推進病險水庫除險加固是保障水庫長效安全穩(wěn)定運行的重要舉措[1]。我國現(xiàn)有9.8 萬座水庫，約95%為小型水庫。我國病險水庫多，雖然已經(jīng)開展幾輪大規(guī)模除險加固工作，但目前仍有大量病險水庫存在[2]。我國土石壩多、老舊壩多，約92%的水庫大壩是土石壩，約80%建于20世紀50—70年代，始建標準低。水庫總體數(shù)量多、病險水庫多、土石壩和老舊壩多，加上近年來超強暴雨等極端天氣頻發(fā)，水庫安全風險形勢嚴峻，病險水庫除險加固工作迫在眉睫[3，4]。水利部聯(lián)合相關(guān)部門印發(fā)《“十四五”水庫除險加固實施方案》，明確了“十四五”期間病險水庫除險加固、監(jiān)測預(yù)警設(shè)施建設(shè)、以縣域為單元深化小型水庫管理體制改革、健全長效運行管護機制等重點任務(wù)，計劃全部完成現(xiàn)有及新增約1.94萬座病險水庫除險加固，實施小型水庫雨水情測報設(shè)施和小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)，對分散管理的小型水庫全面實行專業(yè)化管護模式，推進水庫管理規(guī)范化、標準化[5，6]。

近年來，江西省通過集中開展病險水庫除險加固建設(shè)和輪序開展大壩安全鑒定，水庫大壩安全管理取得明顯成效，水庫安全狀況不斷改善[7]。由于人工觀測存在局限性，大壩安全風險依然存在，加快推進小型水庫雨水情測報和大壩除險加固工作，是確保水庫安全長效運行，充分發(fā)揮水庫防洪減災(zāi)、供水保障和農(nóng)業(yè)灌溉效益的重要舉措[8]。結(jié)合水庫壩型、規(guī)模、壩高、壩長、下游影響等，依據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范與標準，合理設(shè)置監(jiān)測設(shè)施和開展除險加固項目建設(shè)[9]。水庫除險加固，可以有效消除安全隱患，極大改善調(diào)洪蓄水能力，為防洪抗旱減災(zāi)發(fā)揮巨大作用[10-12]。

1 工程概況

1.1 基本情況

龍九水庫位于江西省龍南縣九連山林場，地處東經(jīng)114°25'30″、北緯24°33'35″，坐落于桃江一級支流小溪水上游。樞紐建筑物主要由大壩、發(fā)電引水隧洞、電站廠房等組成，大壩壩型為漿砌石壩。水庫總庫容513萬m3，設(shè)計灌溉面積27 hm2，電站裝機4×630 kW，是一座以灌溉為主兼顧發(fā)電的小（1）型水庫。因工程建設(shè)多年，在運行中暴露出的安全隱患較多，蓄水量逐年減少，已不能滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水需求，在一定程度上影響了當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展，被鑒定為“三類壩”即病險水庫。

1.2 大壩加固的必要性

龍九水庫于2005年12月動工興建，2009年3月建成，同年4月開始蓄水。由于施工等多種原因，大壩存在一定的質(zhì)量安全隱患，甚至危及大壩安全，嚴重影響應(yīng)有效益的正常發(fā)揮。經(jīng)安全鑒定查出水庫存在諸多安全問題，需對大壩等建筑物進行徹底加固處理，從根本上解決工程存在的安全隱患，使水庫能夠安全運行并獲得最大的經(jīng)濟效益。地勘資料及現(xiàn)場情況反映出大壩壩基存在局部滲漏現(xiàn)象，為提高大壩的防滲性能，對大壩結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定計算，結(jié)果顯示，大壩在校核洪水位工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范要求最小值，大壩結(jié)構(gòu)尚不夠穩(wěn)定。由于工程地理位置重要，一旦失事，將給下游人民的生命財產(chǎn)和國家設(shè)施造成重大損失。為保障下游人民生命財產(chǎn)安全、確保工程綜合效益充分發(fā)揮，對水庫進行除險加固處理、根除安全隱患是十分必要的。

2 大壩加固總體布置

本次大壩除險加固建設(shè)內(nèi)容主要包括加固大壩、加高左右岸非溢流壩段以及重建啟閉平臺。加固后大壩為砌石重力壩，壩頂高程470.50 m，壩頂總長93 m。加高后左右岸非溢流壩段壩頂高程470.50 m，壩頂寬3.8 m，壩頂上、下游側(cè)均增設(shè)鍍鋅鋼管欄桿，高1.2 m。下游高程464.50 m 以上垂直，以下按坡比1∶0.8 采用C15 混凝土培厚。溢流壩段堰頂高程465.00 m，采用實用堰，下游壩坡1∶0.8，末端新建挑流消能設(shè)施，反弧半徑6 m，挑角25°，坎頂高程443.32 m。拆除重建溢流堰及兩側(cè)導(dǎo)墻，對壩體及壩基進行灌漿處理，重建放空孔維修閘門啟閉平臺。

3 大壩加固方案

3.1 非溢流壩段加固

地勘資料及現(xiàn)場情況顯示，大壩壩基存在局部滲漏現(xiàn)象。為提高大壩防滲性能，對壩基進行帷幕灌漿，對壩體進行充填灌漿。根據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，在校核洪水位工況下，大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于相關(guān)規(guī)范要求最小值，大壩結(jié)構(gòu)尚不夠穩(wěn)定，取消防浪墻，壩頂整體加高并培厚下游壩坡，以增加壩體穩(wěn)定性。

非溢流壩段灌漿孔平行壩軸線布置，第一排灌漿孔位于加固后壩軸線，孔距2 m；其他排灌漿孔孔距3 m，排距4 m。第一排灌漿孔較基巖面高2 m，對壩基進行帷幕灌漿，帷幕灌漿孔布置與第一排充填灌漿孔相同。下游464.50 m 高程以下按1：0.8 坡比采用C15 混凝土培厚原壩體，縱橫向布設(shè)Φ8@200鋼筋，并設(shè)Φ20錨筋@2 m，錨固長度1 m。壩頂采用C15混凝土加高至高程470.50 m，取消防浪墻，壩頂寬3.8 m，壩頂上、下游側(cè)均增設(shè)鍍鋅鋼管欄桿，高1.2 m。

3.2 溢流壩段加固

3.2.1 防滲處理

鑒于大壩壩基存在局部滲透破壞現(xiàn)象，本次對壩基進行帷幕灌漿，并對壩體進行充填灌漿。溢流壩段灌漿孔平行于壩軸線布置，其技術(shù)要求與非溢流壩段一致。

3.2.2 溢流堰及下游堰面處理

大壩溢流堰堰頂澆筑較差，本次拆除重建溢流堰。根據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，在校核洪水位工況下，大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于相關(guān)規(guī)范要求最小值，大壩結(jié)構(gòu)尚不夠穩(wěn)定，本次培厚下游壩坡，以增加壩體穩(wěn)定性。經(jīng)計算，挑流消能設(shè)施挑距偏小，鼻坎高程偏低，本次新建挑流消能段。

加固后的溢流堰采用實用堰，堰頭采用1/4 橢圓曲線，后接0.5 m 直線段。下游貼原壩體增設(shè)C30混凝土面板，按1∶0.8坡比與反弧段銜接，面板縱橫向布設(shè)Φ8@200 鋼筋，并設(shè)Φ20 錨筋@2 m，錨固長度1 m。末端新建C30混凝土挑流鼻坎，反弧半徑6 m，挑角25°。

3.2.3 導(dǎo)墻重建

由于溢流壩兩側(cè)邊墻存在施工質(zhì)量差、高度不夠等問題，因此拆除重建兩側(cè)邊墻，新導(dǎo)墻起于非溢流壩段下游側(cè)原壩頂（高程469.00 m），頂高程按坡度1∶0.75 采用C20 混凝土澆筑，至高程445.00 m 澆筑水平段至挑流段。

3.3 啟閉平臺重建

原啟閉平臺破損且設(shè)置不合理，本次拆除重新設(shè)置。新啟閉平臺采用大壩上游側(cè)澆筑牛腿出挑型式，牛腿寬度0.4 m，頂面出挑長度1.5 m，外側(cè)邊緣高度0.8 m，底面傾角45°，高度2.3 m，兩牛腿內(nèi)邊間距1.2 m，頂設(shè)厚200 mm 板，尺寸2 m×1.5 m，啟閉機放置位置設(shè)置200 mm×500 mm 螺栓梁。放空孔檢修閘門啟閉設(shè)施不能正常運行，本次更換LQ-10 型手電兩用螺桿啟閉機及配套螺桿，并對閘門進行防腐處理。

4 方案復(fù)核分析

4.1 大壩穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核分析

4.1.1 計算依據(jù)、條件及斷面

大壩加固后計算依據(jù)、穩(wěn)定安全系數(shù)、計算參數(shù)中的抗剪系數(shù)、混凝土容重、風速、泥沙淤積高程等均同現(xiàn)狀復(fù)核，計算條件詳見表1，加固后漿砌石容重取21 kN/m3。由于大壩加固對壩基進行了帷幕灌漿，根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL25-2006）要求，結(jié)合工程實際情況，揚壓力折減系數(shù)取0.7。

表1 龍九水庫設(shè)計調(diào)洪成果

4.1.2 計算結(jié)果

大壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算結(jié)果，詳見表2—5。

表2 溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

表3 非溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

表4 非溢流壩應(yīng)力計算結(jié)果

表5 溢流壩應(yīng)力計算結(jié)果

由表2—5 可知，在各工況下，大壩抗滑穩(wěn)定（∑W/∑M 值小于1），壩基應(yīng)力（壩踵和壩趾的豎向應(yīng)力）均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

4.2 溢流壩水面線復(fù)核分析

校核洪水位（P=0.33%）工況下，上游水位為468.99 m，泄量為632 m3/s，相應(yīng)下游水位為442.35 m；設(shè)計洪水位（P=3.33%）工況下，上游水位為468.08 m，泄量為420 m3/s，相應(yīng)下游水位為441.37 m。以此計算溢流壩水面線及兩側(cè)邊墻高度，計算結(jié)果詳見表6—7。

表6 校核洪水位（P=0.33%）工況下溢流壩水面線及邊墻高度計算結(jié)果

表7 設(shè)計洪水位（P=3.33%）工況下溢流壩水面線及邊墻高度計算結(jié)果

4.3 溢流壩消能復(fù)核分析

根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2018），4 級消能防沖建筑物按20 a一遇洪水設(shè)計。龍九水庫溢洪道消能方式為挑流消能，上游水位為467.90 m時，相應(yīng)下泄流量為379 m3/s，相應(yīng)下游水位為441.18 m。挑流水舌外緣挑距和沖刷坑最大水墊深度按下式進行計算：

式中：L1為總挑距（m）；L為自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外緣挑距（m）；Lc為水面以下水舌長度的水平投影（m）；v1為鼻坎坎頂水面流速（m/s）；θ為挑流水舌水面出射角（°）；h1為挑流鼻坎末端法向水深（m）；h2為鼻坎坎頂至下游河床高程差（m）；T為自下游水面至坑底最大水墊深度（m）；g為重力加速度（m/s2）；k為綜合沖刷系數(shù)，取0.8；q為鼻坎末端斷面單寬流量（m2/s）；Z為上、下游水位差（m）；β為水舌外緣與下游水面的夾角（°），根據(jù)下式計算：

式中：ΔS為鼻坎頂端與下游水面的高差（m）；其余變量含義同上。

經(jīng)計算，得L=28.36 m，Lc=7.32 m，總挑距L1=35.68 m，最大水墊深度T=5.62 m。

沖刷坑上游坡度按下式計算：

式中：i為沖刷坑上游坡度；ht為下游水深（m）；其余變量含義同上。

經(jīng)計算，得i=1/7.83，允許的最大后坡ik=1/2.5～1/5，i＜ik，因此沖刷坑滿足相關(guān)規(guī)范安全要求。

5 結(jié)語及建議

通過復(fù)核江西省龍南縣龍九水庫大壩加固方案，結(jié)果表明大壩抗滑穩(wěn)定、壩基應(yīng)力、新建邊墻高度、挑流水舌外緣挑距和沖刷坑均滿足相關(guān)規(guī)范要求，大壩加固方案是合理的。下一步，應(yīng)強化設(shè)計變更、質(zhì)量管理、工程驗收等重點環(huán)節(jié)監(jiān)管，進一步完善質(zhì)量監(jiān)管體系和安全責任制，在確保施工質(zhì)量的前提下加快實施進度，充分發(fā)揮水庫在經(jīng)濟、社會、生態(tài)等領(lǐng)域的多重效益，為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展、助力鄉(xiāng)村振興筑牢堅實的水利基礎(chǔ)。