水庫運營風險評價與治理
——以甘肅省某水庫為例

鮑 春，劉利星

（蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅蘭州730000）

水庫運營風險評價與治理
——以甘肅省某水庫為例

鮑 春，劉利星

（蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅蘭州730000）

水庫會在正常運營過程中逐漸顯露出一些病險問題。本文以某水庫為例進行研究，對水庫進行風險評價后，發現水庫建成后運行的30年中主要產生兩方面的問題：左壩肩繞壩滲流問題和溢洪建筑物改建設計缺陷。經調研和研究提出以下治理方案：采用擴大帷幕灌漿范圍，在滲流區增加單排帷幕灌漿來解決左壩肩繞壩滲漏問題；對洞身圍巖進行固結灌漿來解決泄洪洞洞身結構強度不足等問題。通過對水庫的風險評價及提出合理的治理方案為類似工程提供借鑒作用。

水庫；風險評價；滲流；壩體穩定；優化工程

0 引言

水庫建設初期由于技術水平、施工工藝等限制，導致水庫在后期運營過程中出現許多問題，主要包括壩體滲漏、壩坡滑裂面穩定性安全以及后期溢洪建筑物的結構減弱等問題［1-2］，國內外學者針對這些問題的進行了大量綜合評估方面的研究。譚曉慧等［3］采用定值分析法重點研究滑面幾何參數對邊坡穩定性的影響，為水庫壩坡的安全預測提供了主要依據；鈕新強等［4］提出了以隧洞粘貼高強碳纖維內襯布的方式對混凝土襯砌進行強度和防滲加固；趙廷華等［5］采用混凝土防滲墻及左右岸帷幕灌漿方式對窄口水庫壩體進行截滲加固，在水庫后期運行表明加固效果顯著；在國外，針對水庫滲漏通常采用同位素示蹤探查的方式，例如波蘭馬考夫斯基［6］用82B r作為主要注射液，用131I和51C r作為附加注射液，大大減輕了滲流分析和加固工程的難度。

某水庫經過多年的運行，因庫水位的周期性升降，使得砂質泥巖、泥質粉巖發生少量的崩解或泥化，導致滲漏通道逐漸堵塞。由于左壩肩巖體斷裂發育、表層巖體傾倒彎折導致部分裂隙貫通性增強，并出現溢洪建筑物設計欠科學等問題；通過對水庫運營和管理情況的現場調查，采用定性半定量的方法對水庫運營進行風險評估，并且提出合理的治理方案。

1 水庫區域基本概況

庫區屬典型的峽谷型水庫，河谷呈不對稱的“U”型。水庫壩址加高方案通過優化比選最終決定選擇下壩址峽谷型水庫方案，采用混凝土面板砂礫石壩方案，工程區及周圍底層主要有二疊系、三疊系和白堊系沉積巖，以及第四系松散堆積物。下壩址區河漫灘不發育，大部分被坡積、滑坡堆積及洪積物所覆蓋，地表植被發育。研究區屬侵蝕、剝蝕褶皺斷塊石質山峽谷區，東西走向高差300～600m。在近庫岸處有兩個小坍塌體，在溝道及山坡坡腳，分布有坡積、崩積塊碎石。水庫右岸坡度較緩，坡度20～35°，局部45～50°。

2 水庫風險評價

2.1 壩體滲流評價及計算

目前對于水庫樞紐滲流問題主要采用滲流有限元法［7-9］進行分析，首先確定壩體斷面單位寬度及浸潤線結果，選取典型壩體斷面計算：

其中：q1和q2分別為壩基、下游單寬滲流量，K壩體滲透系數，m為上下游邊坡系數，H1上游水深。

壩體浸潤線方程：

繪制流網圖，計算滲透坡降：

式中：J為滲透坡降；Δ H為上下游水頭差；L為滲流途徑長度。

左壩肩巖體反傾向層狀且軟硬相間，整體性較好，但存在五組裂隙：L1N W335°SW∠78°，為張扭性；L2N E 60°SE 68°～75°；L3N E 30°SE∠72°，為張性粗糙面；L4N W340～355°SE∠86°；L5N E 70°～SE 115°SE～SW∠70°～83°，為張性粗糙卸荷裂隙。在五組裂隙和F8～10三條斷層的切割作用下，二者在斜坡表層和深層交匯，其中L1～4與三條斷層的絞線與坡向一致，坡腳分別為30°、52°、17°，需進行穩定性分析：

將滑面的內聚力假定為C1=C2=0

其中：?1=?2=62.6°，β1為一組結構面的傾角，β2為另一組結構面的傾角，β為兩組結構面結合交線傾角。

采用式（5）和（6），經計算三組結構面穩定系數分別為1.72、1.35、2.06，處于穩定狀態。但左壩肩表層間歇分布有松散堆積物，下伏二疊系上統石千峰群（P 2s h）砂巖、砂質裂隙發育，由于結構面相互切割，原壩軸線0+160～0+250m段，灌漿質量較差難以堵塞滲漏通道；左壩肩陡坡達40～50°，難以架設機器對壩基進行帷幕灌漿防滲處理。泄洪洞出口與壩后有4處滲水點，需要進行坡降計算（滲水點位置見圖1）。

壩體滲流分析及計算按照《碾壓式土石壩設計規范》（以下簡稱規范）（SL 274-2001）進行。計算清基不徹底的0+160m處、斷面最大處的0+198m處及標準心墻壩斷面的0+250m處，以圖2為例。由式（1）～（3），首先計算滲流計算浸潤線結果，求得壩體壤土心墻段最大滲透比降不符合比降取值范圍為3～5，需要進行壩體心墻穩定性加固［10］。

圖1 庫區滲水點示意圖

圖2 0+250m斷面滲流計算簡圖

2.2 壩體穩定性分析及計算

對壩體穩定性的分析計算一般是將其當作邊坡來處理，沿用傳統的土力學的傳統理論進行分析。壩體的穩定性分析方法主要有極限平衡法和數值法，數值法有離散元法、邊界元法、有限元法等；極限平衡法有瑞典圓弧法、畢肖普法、陸軍工程師團法、薩爾瑪法和摩根斯坦—普萊斯法等［11，12］。因壩肩穩定分析的對象是復雜的天然巖體，應力應變呈顯著的非線性，故對壩體抗滑穩定性采用非線性有限元分析［12］法，且不宜采用直接求解式（7）求解。

式中：S為抗滑總剪力；R為滑動面上的抗剪強度；Ci、Ai、fi分別為滑動面上的凝聚力、滑動面積和摩擦系數；Ni、Ti分別為滑動面上的法向力和剪力。

圖3 超載的兩種方法

常用的安全系數求解方法有超載法、強度儲備安全系數法和點安全系數法等，該水庫穩定性［12］采用超載法進行評價，同時結合其在A N SY S［13］中的應用，得出抗滑穩定性的具體計算方法。超載法是假定壩基和壩肩的巖石力學參數不變的情況下，認為的將何在按照比例增加，直到滑移失穩，超載法所確定的超載能力主要是通過破壞時相應的外荷載Pm與設計荷載Pn的比值來衡量，即用超載安全系數Ko來評價壩體的穩定性系數。

三角荷載的表達式為：

其中：rm、rn分別為滑裂失穩破壞時與設計時的外荷載容重。

超載安全系數包括初始安全系數和極限安全系數，用K1，K2表示，即

式中Fa、Fr、Fo分別表示初始屈服荷載、極限荷載和正常荷載。當壩體和壩肩變形進入非線性狀態時，視作壩體發生失穩破壞。

因最危險滑裂面位于壓重平臺較小范圍內的上游平臺坡腳處，不能真實反應壩體穩定性，需在0 +160m斷面上游選取三條代表性的滑裂面（見圖4）。滑裂面1（危險滑動面）；滑裂面2為坡積土軟弱夾層；滑裂面3為不受壓重平臺影響的上游典型滑面。

按超載法計算表明在沒有假定上游壓重平臺穩定的前提下，上游壩坡沿軟弱夾層滑動安全系數不滿足規范要求，需要對壩進行加固。

圖4 新選三條滑裂面示意圖

2.3 泄洪洞結構評估

桿系有限元法［14-15］是分析計算巖體隧洞、基坑結構強度等常用方法，采用結構力學中位移法的原理及矩陣代數運算，在巖體截面節點變化處，先將分析對象劃分節點，再進行復核驗算。采用文克爾假定［15］，即彈性抗力與水平位移之間成一定的比例關系：P=K δ，剛度矩陣［K］的推導見文獻［16］。經計算表明水位抬高后原各斷面強度［17］均不滿足要求，需對泄洪洞進行加固處理。

3 治理方案

3.1 壩體滲流治理

由于大壩滲漏嚴重，導致后壩坡逸出點較高，為有效降低浸潤線，提高防滲治理效果，擬在壩軸線樁號0+150～0+243.2m壩段通過建單排高壓定噴防滲墻進行加固。防滲墻厚度為0.3m，孔距2m，孔深58～70m，不僅可以更大力度消除病險水庫的滲漏問題，而且還能防止滲漏水的沖刷力度破壞水庫的壩體，此外對混凝土防滲墻與壤土截水槽之間的砂礫石進行帷幕灌漿。為徹底解決左壩肩繞壩滲流問題，在0+010～0-087m壩段也采取了治理防護措施，增加單排帷幕灌漿。在施工中要按照施工要求精確的配置灌漿，對不斷循環使用的灌漿應該進行多次的測量，防止其因放置時間出現的變化，影響病險水庫加固的質量。

3.2 壩坡穩定性治理

將壩頂10m范圍內的砂礫石壩殼及心墻全部挖除，壩頂高程降至1516.0m，最大可能降低壩體內部浸潤線。另在樁號0+130～0+230m的范圍內上游壩坡壓重平臺處現澆C 25鋼筋混凝土抗滑樁。沿壓重平臺坡腳線布置31根直徑2m的抗滑樁，中心距離5m，頂部與地面線齊平，底部深入基巖3m，樁深35～45m。

3.3 泄洪洞結構加固

擬將泄洪洞進口和出口進行改建，將泄洪洞全部拆除，在原址重建岸塔式結構檢修閘室，閘室長9.0m，寬8.0m，總高度67m，高出地面約15m。洞身段采用固結灌漿及內襯鋼板進行加固，灌漿孔梅花形布置，孔距2.5m，孔深5m，內襯鋼板厚度8m m。

3.4 水庫優化工程評定

水庫經過除險加固工程后，對壩坡上下游進行穩定性驗算，在穩定滲流期、水位驟降及地震工況下，采用瑞典圓弧法［18］得出穩定性系數分布為1.35、1.23和1.19，畢肖普法［17］分別為1.31、1.21和1.17，均滿足規范允許值。同時大壩經過防滲處理后，其抗滑穩定安全系數也得到了很大的提高，對大壩的除險加固起到了重要作用，有效消除了大壩的安全隱患。

4 結論

通過對水庫運營中的問題進行風險評估，采用滲流有限元法、超載安全系數法和桿系有限元法分別對壩體滲流，壩前邊坡穩定性和泄洪洞結構或溢洪道結構進行風險評價是適用的。大壩安全系數滿足規范允許值，并通過壩體實施混凝土帷幕灌漿以及在壩坡處增設鋼筋混凝土抗滑樁方案對三者進行治理也是切實可行的，為其它類似工程提供借鑒作用。

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1672-2469（2015）05-0070-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.022

鮑 春（1991年—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（41401107）