里橫電站大壩安全鑒定及加固處理

危承康

(江西省撫州市水電勘測設計院，江西 撫州 344000)

里橫電站大壩安全鑒定及加固處理

危承康

(江西省撫州市水電勘測設計院，江西 撫州 344000)

近年來，各地山區興建了許多小型水電站，撫州市小水電蓬勃發展，但因許多電站由外商以及私企開發，沒有正規設計與施工，為四無電站，以致大多電站建成后出現諸多隱患，給防洪工作帶來很大壓力。文章主要介紹里橫電站建成運行后，工程存在的主要問題，鑒定大壩安全性，闡述大壩除險加固采取的處理措施。通過對大壩安全進行重新復核，確定對大壩進行壩頂加高，新建WES型實用堰，兩壩肩下游進行混凝土回填及固結灌漿處理。加固處理后工程運行正常，工程效益得以正常發揮。

混凝土拱壩；應力分析；拱座穩定；重力墩；溢流堰；固結灌漿

1 工程概況

里橫電站位于江西省黎川縣德勝關境內的里橫村張家陂，距縣城約20 km，距德勝關政府所在地1.8 km。

大壩座落于撫河流域黎灘河支流里橫水上，壩址以上集雨面積8.99 km2，設計發電裝機容量160 kW，是一座以發電為主的小(2)型水電工程。電站于2003年10月興建，2004年2月建成并投入運行。

樞紐工程主要建筑物有：混凝土拱壩、壩內放水管、輸水發電隧洞、發電廠房。

拱壩體型基本參數為：拱壩為C15混凝土埋石壩，壩頂高程245.47 m，壩基高程229.27 m，最大壩高16.2 m，壩底寬2.95 m，厚高比0.182。壩頂弧長44.61 m，壩頂弦長38.55 m，河谷寬高比2.38，壩頂寬1.15 m，兩岸壩頂下游側設有50 cm高混凝土擋水。

頂拱外半徑24.175 m，頂拱最大中心角105.736°，底拱中心角18.34°，采用定圓心單曲拱。溢流壩段位于拱中心處，為壩身表孔開敞式泄流，溢流凈寬19.3 m，堰頂高程245.47 m。

壩內放水管位于大壩右側壩體內，內襯鋼管，管徑50 cm，管中心高程233.0 m，管后設一只Z584T—50閘閥控制。

輸水發電隧洞位于大壩左側山體內，隧洞全長265 m，縱坡1∶500，進口閘式底板高程為235.0 m。洞身為城門洞型，尺寸為1.4×1.8 m，隧洞出口接壓力鋼管，鋼管伸入隧洞，與隧洞段用混凝土封堵，鋼管內徑50 cm。

廠房布置于里橫水左岸河漫灘上，距大壩約300 m，采用地面引水式廠房。廠房為單層現澆混凝土框架結構，平面尺寸為6 m×9 m，電站裝機160 kW。

2 工程存在問題

水庫自建成以后，工程已出現多處隱患，若不及時處理，將危及建筑物安全，給水庫下游造成嚴重損失[1]。

工程存在的主要問題有：

1)溢洪道泄流能力不夠，以至汛期壩頂過水，水流直接沖擊壩肩，兩壩肩山體已形成沖溝，局部壩腳懸空。

2)未設消能設施，水流沖擊壩腳，影響大壩安全。

3)大壩基巖裂隙發育，施工時未進行灌漿處理，下游有大量黃泥析出[2]。

4)兩壩肩基礎差，施工時未達可利用基巖面，存在少量松動塊石[3]。

2005年6月壩頂過水1 m多，沖刷兩壩肩，嚴重影響大壩安全，時刻危協下游人民生命財產安全，對電站大壩進行除險加固迫在眉睫。

3 工程加固前安全復核

工程加固前安全復核內容包括3項：大壩抗洪能力復核、大壩應力復核和大壩拱座穩定分析計算。

3.1 大壩抗洪能力復核

根據國家頒布的《防洪標準》(GB50201—94)規定，并結合工程實際情況，按20 a一遇設計，按100 a一遇洪水校核大壩的安全性；現狀設計洪水位(P=5%)為247.44 m，現狀校核洪水位(P=1%)為247.98 m。

大壩需要的壩頂超高，按下式計算：

△h=hb+hz+hc

(1)

風浪要素hb及hz按下式計算：

(2)

(3)

(4)

計算中采用吹程0.6 km，多年平均年最大風速9.6 m/s，正常運用條件風速采用多年平均年最大風速的1.5倍，非常運用條件風速采用多年平均最大風速。

經計算所需最大壩頂高程為248.60 m，實際壩頂高程僅245.97 m，遠低于計算所需壩頂高程，洪水直接過壩，沖擊兩壩肩，嚴重影響大壩安全[4]。

3.2 大壩應力復核

壩體應力、變形計算采用北京勘測設計院提供的拱壩通用程序GADAP28進行分析計算。計算對壩體拱梁網絡的劃分，采用10層水平拱，水平河谷一側加1根梁。

溫度荷載形成方式按規范方法。庫底平均溫度按8℃計。荷載組合分為基本組合和特殊組合二類。

1)基本組合包括3種類型：①正常蓄水位及相應尾水位和設計正常溫降、自重、泥沙壓力；②正常蓄水位及相應尾水位和設計正常溫升、自重、泥沙壓力；③設計洪水位及相應尾水位和設計正常溫升、自重、泥沙壓力[5]。

2)特殊組合：校核洪水位及相應尾水位和設計正常溫升、自重、泥沙壓力[5]。

經計算，壩體出現的最大壓應力為21.24 kg/cm2，最大拉應力為13.72 kg/cm2。均在規范規定的范圍內，符合要求。

3.3 大壩拱座穩定分析計算

拱壩壩基巖性主要為細質砂巖，兩岸壩基基巖開挖較淺，基巖中主要發育兩組節理，其中大致平行河流方向的節理最發育，垂直河向的節理也有。

節理等結構面互相切割，造成壩肩巖體完整性較差。右壩肩巖層傾后河床，壩肩基巖中有多組節理分布，其中以平行河流向的節理為主，部分垂直坡向的節理裂隙分布，尤其微張開的裂隙對岸坡穩定不利[6-7]。深部微～新基巖中的節理等結構面大都呈閉合狀，沒有發現控制巖體整體穩定的軟弱結構面。

整個壩基巖完整性較差，穩定分析時采用剛體極限平衡法中的空間矢量代數法進行計算，分析中假定壩肩滑移體為四面體，由前裂面P1、側裂面P2、底滑面P3及臨空面P4構成。

計算出滑移體各結構面面積，四面體重量及滲透壓力。拱端作用力由拱壩應力分析結果求得，并計算穩定安全系數。

選取滑動四面體采用沿頂拱拱端上游面切向取為前裂面，前裂面傾角為90°，側裂面通過頂拱拱端上游點的鉛直面，夾角取值為0°，5°，10°，15°等，以求出安全系數最小值，底滑面為水平面，各取拱圈高程。

各層拱圈計算時，側裂面及底滑面摩擦系數f=0.60，按剪摩公式計算時，側裂面及底滑面的摩擦系數和凝聚力取f′=0.75，C′=0.3 MPa。

經計算，純摩公式計算的最小安全系數為0.97，剪摩公式計算的最小安全系數為3.50，接近規范允許值，拱座穩定處于臨界狀態，拱座穩定存在安全隱患[8-9]。

4 除險加固設計

除險加固設計內容有以下5項：工程等級、標準及總體布置、大壩壩頂加高處理、大壩兩壩肩新建重力墩、溢流壩段改造和兩壩肩下游側沖溝處理。

4.1 工程等級、標準及總體布置

里橫電站為小(2)型水電工程，大壩為混凝土拱壩。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)的規定：本工程等別為Ⅴ等；水工建筑物級別：永久性主要建筑物為5級，永久性次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級。永久性主要建筑物設計洪水標準采用20年一遇，校核洪水標準為100 a一遇；永久性次要建筑物設計洪水標準采用30年一遇，校核洪水標準為200 a一遇；臨時性建筑物洪水標準采用5 a一遇。根據現場安全檢查與分析上述工程現狀復核成果，本次加固設計對大壩進行加固處理。確定的主要加固設計項目有：大壩壩頂加高處理；大壩兩壩肩新建重力墩；溢流壩段改造；兩壩肩下游側沖溝處理。

4.2 大壩壩頂加高處理

由于大壩防洪要求不滿足要求，大壩壩頂過水，本加固設計對兩邊非溢流壩段進行加高處理，加高壩沿頂拱圈弧線布置，采用C15混凝土澆筑，寬1.15 m，高2.13 m，加高后壩頂高程247.60 m。

壩頂上游邊設置60 cm高C15混凝土防浪墻，墻厚25 cm，下游邊設置欄桿，欄桿采用Φ8管鋼。澆筑新壩體前，應對新老壩體間的接合面進行鑿毛并沖洗。

4.3 大壩兩壩肩新建重力墩

本次大壩加高后，大兩側岸坡新建C15混凝土重力墩，重力墩沿頂拱拱圈切線方向布置，其中左側墩長3.5 m，右側墩長3.6 m。

重力墩頂與壩頂齊高，并設置防浪墻，墩頂寬1.15 m，上游面鉛直，下游面為1∶0.4斜坡。重力墩基礎應開挖至可利用基巖，并對基巖進行固結灌漿處理。

4.4 溢流壩段改造

原溢流壩溢流堰為折線型實用堰，泄流能力小，且下游出口為跌流，水流直接沖擊壩腳，影響大壩安全，固本次設計對溢流壩段進行改造。

改造后溢流堰堰面為WES堰型，堰頂高程為245.47 m，堰頂高現狀壩頂上游邊，溢流段平面收縮角為49.77°，中心線與拱中心線重合，溢流凈寬21 m，

下游出口凈寬18.73 m。下游出口設置挑流鼻坎，挑角15°，兩邊設置邊墩，為C20鋼筋混凝土結構。

4.5 兩壩肩下游側沖溝處理

由于壩頂過水，兩壩肩下游側已被沖毀，并形式沖溝，局部壩基懸空，固本次設計對兩壩肩下游沖溝采用C15混凝土回填處理，并對壩基進行固結灌漿處理。

回填混凝土表面使與現狀山體表面齊平，回填混凝土與基巖接處面設置錨筋，錨筋伸入基巖≥1.5 m，間距為2 m。固結灌漿孔在混凝土澆筑前預埋，孔深≥3 m，間距1.5 m，平行壩軸線布2排，在混凝土澆筑到一定厚度后進行灌漿。

灌漿材料為水泥砂漿，灌漿壓力應根據實驗確定，一般應≥0.3 MPa。

5 結 語

除險加固后，兩壩肩通過混凝土回填與固結灌漿，基巖整體提高，解決了拱座穩定隱患問題。

采用WES堰型進行改建溢洪道增大泄流能力，且兩側加高非溢流壩壩頂，洪水泄入原河床部位，兩壩肩壩腳不再受到水流沖刷。

工程目前運行正常，解除了對下游人民生命財產威脅，使電站正常發揮其效益。

[1]曾貞志.老園水庫大壩安全鑒定綜合評價[J].黑龍江水專學報,2007,34(01):30-34.

[2]張紅麗.東武仕水庫大壩安全鑒定分析評價[J].小水電,2009(01):26-28.

[3]蔡紅娟.杭州市青山水庫大壩安全鑒定分析評價[J].浙江水利科技,2002(04):60-62.

[4]李志云,齊國成.河北省陡河水庫大壩安全鑒定綜述[J].河北水利水電技術,2000(03):44-45.

[5]于莉莉,呂文麗.石塘水庫大壩安全鑒定[J].河南水利與南水北調,2011(14):35-37.

[6]王琦,馬國花.小型水庫除險加固問題探討[J].中國西部科技,2009(08):29-30.

[7]楊德新.小型水庫土石壩病險問題及除險加固措施[J].中國科技信息,2009(08):75-76.

[8]張大偉,李雷.水庫大壩除險加固體制機制問題與對策思考[J].2013(10):31-36.

[9]周萬文.廣西小型水庫除險加固設計問題的探討[J].廣西水利水電,2009(02):56-60.

1007-7596(2014)12-0108-03

2014-07-27

危承康(1977-)，男，江西撫州人，工程師。

TV698.23；TV697.3

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