大梁屯水庫除險加固工程安全鑒定

程瑞山，劉 琪，張 峰，孟凡欽

(武漢理工大學，武漢 4300702)

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大梁屯水庫除險加固工程安全鑒定

程瑞山，劉 琪，張 峰，孟凡欽

(武漢理工大學，武漢 4300702)

大梁屯水庫位于普蘭店市蓮山鎮榆樹房村大梁屯，清水河流域的中上游。文章對大梁屯水庫除險加固工程下閘蓄水階段驗收提供依據，對水庫進行設計洪水復核，泄洪能力復核，對水庫進行特征水位復核，對混凝土防滲墻土壩進行了壩頂高程復核以及大壩滲流穩定計算，進行了具體的技術分析和安全鑒定。

大梁屯水庫；除險加固；安全鑒定；評價；復核

1 工程概況

大梁屯水庫位于普蘭店市蓮山鎮榆樹房村大梁屯，清水河流域的中上游，壩址地處E122°15′15″，N39°32′00″。水庫始建于1958年3月，同年7月竣工。1964年4月進行了加固翻修，1965年6月竣工。大梁屯水庫是一座以防洪和灌溉為主，還具有淡水養殖和美化環境的功能。水庫校核洪水位41.32m，設計洪水位40.45m，正常蓄水位38.31m，死水位為31.81m，汛期限制水位38.31m。

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[1]，大梁屯水庫屬中型水庫，工程等別為Ⅲ等，相應的永久性水工建筑物級別為：主要建筑物3級，次要建筑物4級，施工臨時建筑物級別為5級。大梁屯水庫主要建筑物洪水設計標準為：100a一遇洪水設計，1000a一遇洪水校核，施工洪水標準為10 a一遇。

大梁屯水庫混凝土防滲墻土壩為均質土壩，壩軸線接近東西向，總長522.2m，壩頂高程平均為42.66m，壩頂總寬度6.0m，泥質路面。

2 安全鑒定的組織及實施

水安全鑒定工作的任務是按照水利部《水利水電建設工程蓄水安全鑒定暫行辦法》(水建管[1999]177號文)的要求[2]，依據國家有關法律、法規，根據現行技術規范、初步設計報告、設計變更及修改文件、監理簽發的技術文件及說明、確定鑒定工作范圍：對大梁屯水庫進行防洪、泄洪以及特征水位進行復核，重點對混凝土防滲墻土壩進行壩頂高程復核和滲流穩定計算等有關內容。

3 鑒定內容及成果結論

3.1 當前工程形象面貌評價

目前施工形象面貌，大壩主體工程均已完成，具備擋水條件；溢洪道工程主體，金屬結構制安已全部完成，具備泄洪條件；輸水洞土建及金屬結構均已完成，具備輸水能力。水庫庫區庫底清理已完成，滿足蓄水要求。

3.2 工程防洪標準與防洪能力評價

3.2.1 設計洪水復核

清水河無水文資料，設計洪水只能由暴雨資料推求。本次復核采用《計算方法》中的集水面積<300 km2的方法計算設計洪水[3]。根據新量算水庫流域面積45.54 km2，壩址以上河道長度14.34 km，河道比降為6.67‰，通過以上方法計算出的頻率為1%的設計洪水及0.1%的校核洪水主要成果為：設計洪水100a一遇，洪峰流量為372.2m3/s，一日洪量為600萬m3/s，三日洪量為667萬m3/s；校核洪水1000a一遇，洪峰流量為884.8m3/s，一日洪量為1620萬m3/s,三日洪量為1825萬m3/s。

經復核，本工程在下閘蓄水前原初步設計階段設計洪水成果可基本合理、安全、可靠。

3.2.2 泄洪能力復核

大梁屯水庫下游有防洪要求，其洪水調節方式采用水庫蓄洪限制下泄流量。大梁屯水庫洪水調度按以下原則進行：①溢洪道為開敞式，自由出流，無閘控制；②調洪起調水位即為溢流堰堰頂高程38.31m。調洪采用如下公式：

(1)

式中：Q1、Q2為分別為計算時段初、末的入庫流量，m3/s;V1、V2為計算時段中初、末的庫容，m3;q1、q2分別為計算時段初、末的下泄流量，m3/s;△t為計算時段，s。

堰流及綜合流量系數按下列各式計算：

(2)

(3)

式中：Q為過堰流量，m3/s；m為不計側收縮系數的綜合流量系數；n為橋孔數，取3個；b為單孔凈寬，取5.36m；H為堰前水頭，m；mm為中孔的流量系數，取0.37；ms為邊孔的流量系數，取0.35。溢洪道控制段泄流能力見表1。

表1 溢洪道控制段泄流能力計算成果表

3.2.3 水庫設計特征水位復核

依據初步設計階段水庫正常蓄水位成果，確定現有水庫興利庫容是合理的，所以維持現有正常蓄水位38.31m不變。相應興利庫容為1120.9萬m3，實測31.81m對應的死庫容為29.40萬m3。死庫容由下式計算：

(4)

式中：V死為死庫容，萬m3；r為泥沙容重，1.3t/m3；T為設計淤積年限，考慮再運行30 a；E為推移質占懸移質的比重，20%；G為多年平均懸移質年輸沙量，G=200×45.54=9108t；經計算，V死=25.2萬m3<29.40萬m3。因此水庫原死水位依然滿足再運行30年的要求，維持原死水位31.81m。

大梁屯水庫由其洪水調度原則要求，汛期限制水位即為堰頂高程處水位38.31m，相應庫容為1150.3萬m3。大梁屯水庫設計洪水標準為100a一遇洪水，設計洪水位為40.45m，相應庫容為1996.97萬m3。大梁屯水庫校核洪水標準為1000a一遇洪水，校核洪水位為41.32m，相應庫容為2479.41萬m3。

3.3 大壩安全性評價

3.3.1 壩頂高程復核

為了保證庫水不溢過或濺過壩頂，壩頂高程在水庫正常運用和非常運用的靜水位以上應有足夠的超高值，計算采用《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)5.3.1條推薦的公式進行計算[4]，波浪爬高、風壅水面高度采用附錄A推薦的公式進行計算。

Y=R+e+A

(5)

式中：R為波浪爬高，m；e為風壅水面高度，m；A為安全加高，m；安全加高值按規范選取，3級土壩設計標準取0.7m，校核標準取0.4m。

1)波浪爬高R的計算

(6)

式中：m為坡度系數；KΔ為斜坡糙率滲透性系數；hm為平均波高，m；Lm為平均波長，m；Kw為經驗系數。

平均波高hm及平均波長Lm按規范推薦的蒲田試驗站公式計算：

(7)

Tm=4.438hm0.5

(8)

(9)

式中：hm為平均波高，m；Tm為平均波周期，s；W為計算風速，m/s；分別取轉換系數K1=2.0，K2=1.0，查圖《土壩設計》得出非常運用條件下計算庫面風速為22.82m/s，正常運用條件下計算庫面風速為34.23m/s。D為風區長度，m；風區長度為風向作用于庫區水域的長度，在庫區地形圖上量測得到，風區長度詳見表2；Hm為水域平均水深，m；即水域的平均深度，在庫區地形圖上沿計算風向作剖面圖求得，詳見表2；H為壩上游面水深，m；即水域的平均深度，在庫區地形圖上沿計算風向作剖面圖求得，詳見表2；Lm為平均波長，m。

表2 波浪爬高要素計算表

3.3.2 風壅水面高度e計算

采用規范推薦的公式進行計算，計算結果見表3。具體公式為：

(10)

式中：e為計算點處的風壅水面高度，m；k為綜合摩阻系數；W為水面以上10m高程處的風速，m/s；D為風區長度，m；H為水深，m；β為風向與壩軸法向夾角。

壩頂超高具體計算成果見表3。

表3 壩頂超高計算結果表

壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，計算結果見表4。

表4 壩頂超高計算結果表

現狀壩頂不平，高程在42.61～42.73m，防浪墻頂高程在43.62～43.70m，均滿足計算要求。

3.3.2 大壩滲流穩定計算

根據填筑材料的物理指標、地形、地質及壩高等因素，本次滲流計算采用二維有限元計算，穩定計算采用二維極限平衡分析方法(畢肖普法)。

1)計算參數：

斷面土層分布及各土層滲流穩定計算參數采用地質勘察報告及試驗報告結果，具體如表5所示。

由水文分析及洪水調節計算成果可見，庫水位由正常高水位上漲至校核洪水位歷時72h左右，之后水位緩慢下落。為安全起見在設計洪水位和校核洪水位下同時考慮穩定滲流，因此滲流穩定需計算表6所示4種工況。

表5 滲流穩定計算參數

表6 滲流穩定計算工況

2)滲流穩定計算結果分析：

壩體典型剖面滲流場計算結果如表7和圖1所示。由表7可知，在不同工況下，混凝土防滲墻最大水力坡降與壩體下游溢出點處水力坡降均小于允許坡降，同時，考慮到壩體設計時，對下游坡面進行了碎石護坡和反濾設計，其抵抗滲透破壞的能力可進一步提高，防滲墻和壩體的滲透坡降滿足滲透穩定性要求。

經復核，大梁屯水庫上、下游滑動均為淺層滑動，穩定計算結果如表7與圖2所示。

表7 滲流穩定計算結果

圖1 滲流計算浸潤線示意圖

圖2 穩定計算滑弧位置圖

3.3.4 大壩基礎穩定校核

為確保大梁屯水利樞紐工程安全，壩基防滲采用溝槽混凝土防滲墻方案。

1)防滲墻厚驗算

根據抗滲性要求驗算墻厚

(11)

式中：tj為計算墻厚，m；t為實際墻厚，m；J允為允許的水力坡降，J允=80；H為防滲墻上下游水頭，H=10.0m；經計算，tj=0.13m

2)根據耐久性要求驗算墻厚

防滲墻的混凝土在滲透水流的作用下，將產生溶蝕作用，使混凝土結構逐漸疏松，喪失強度和防滲能力。如按喪失50%強度時所需時間考慮，則防滲墻的厚度計算如下。

(12)

式中：tj為計算墻厚，m；t為實際墻厚，m；K為混凝土防滲墻的滲透系數，k=0.032m/a；T為混凝土防滲墻的耐久性要求年限，取T=50 a；H為防滲墻上下游水頭，H=10.0m；a為混凝土強度降低50%時，防滲墻每千克水泥滲水量，取a=1.6kg/m3；c為每m3混凝土水泥用量，取c=230kg/m3。

經計算，tj=0.2m

4 結 語

壩頂高程復核、壩體滲流穩定經復核滿足現行規范要求，水庫特征水位、泄洪經復核滿足現行規范要求。工程等別、建筑物級別及防洪標準符合現行規范要求[5-6]。地震設防烈度符合現行規范要求；大梁屯水庫除險加固工程主要建筑物混凝土防滲墻土壩已全部完工，具備蓄水條件。

[1]長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院.SL252—2000水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2]中華人民共和國水利部.SL44—93水利水電工程設計洪水計算規范[S].北京：中國水利水電出版社，1993.

[4]水利部水利水電規劃設計總院.SL274—2001碾壓式土石壩設計規范[S].北京：中國電力出版社，2002.

[5]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL5703—2000水工建筑物抗震設計規范[S].北京：中國電力出版社，2000.

[6]中華人民共和國建設部.GB50201—94防洪標準[S].北京：中國計劃出版社，1994.

TV697.3

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1007-7596(2016)08-0042-03

2016-07-06

張磊(1982-)，男，遼寧錦州人，工程師，研究方向為水文、水資源等。