卡爾塔水庫大壩安全鑒定及評價

石永磊

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

0 引 言

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，自成立以來，修建了眾多的水力措施以改善農(nóng)業(yè)用水短缺的問題[1-3]。但是早期建設(shè)的水利工程受制于經(jīng)濟、設(shè)計、施工水平低下，導(dǎo)致工程建設(shè)質(zhì)量較為低下，形成了較多的病險水利措施，嚴(yán)重威脅到了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)生活[4-6]。針對這部分水利措施，采用相關(guān)的措施進行除險加固治理極為重要的。在采用相關(guān)措施對工程加以治理前，采用合理手段，分析工程現(xiàn)狀的安全情況是極為重要的一步，可為工程除險加固工程設(shè)計提供參考文件[7-10]。結(jié)合卡爾塔水庫安全鑒定工程，對早期修建的水庫安全鑒定。評價問題進行研究。

1 工程概況

卡爾塔水庫位于輪臺縣南，屬于引水注入的平原水庫，水源來自卡爾塔河。水庫大壩最大壩高為4.7m，壩長3160m，設(shè)計總庫容為850×104m3。水庫主要承擔(dān)2333hm2農(nóng)田灌溉作用，同時可為下游草場提供豐富水源，帶動當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。卡爾塔水庫在新疆地區(qū)具有十分重要的作用，促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，維護社會穩(wěn)定。水庫自建成使用已經(jīng)過去了40余年，水庫安全已經(jīng)發(fā)生變化，嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)生活。因此，對其安全進行鑒定和評價是十分必要的。

2 現(xiàn)場檢查及主要問題

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，水庫大壩的主要填筑材料為粉土、黏土，為中-弱透水體。水庫大壩在長期的水流沖刷侵蝕影響下，0-155-0-192段破損嚴(yán)重，同時由于建設(shè)時期較早，施工質(zhì)量難以達標(biāo)，部分壩段出現(xiàn)了塌陷破壞，已經(jīng)嚴(yán)重影響到水庫的安全運行。由于建設(shè)時期經(jīng)濟投入和技術(shù)問題，大壩壩基未采取防滲處理措施，放水涵洞存在較為嚴(yán)重的滲漏問題，閘室穩(wěn)定性較差，金屬結(jié)構(gòu)銹蝕問題極為嚴(yán)重。泄洪閘閘址選擇缺乏科學(xué)性，閘門、啟閉機已經(jīng)丟失，泄洪閘已經(jīng)失去泄洪作用。放水渠結(jié)構(gòu)較為簡陋，采用土渠且沒有任何防滲措施，過水能力差。水庫缺乏必須的安全觀測、水文觀測設(shè)施，管理制度不完善，且與外界交通不便。

3 大壩安全鑒定及評價

3.1 工程質(zhì)量及運行管理評價

3.1.1 工程質(zhì)量評價

卡爾塔水庫建于20世紀(jì)60年代。水庫設(shè)計缺乏嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求，大壩采用均質(zhì)土壩，且在未進行壩基防滲處理的情況下就對壩體進行填筑。根據(jù)現(xiàn)場取樣，壩體土體的滲透系數(shù)如下：K=5.31×10-5-2.8×10-3cm/s。水庫大壩壩頂為道路，現(xiàn)狀路面平整度極差，土體松散，難以滿足通行需求，壩體填筑過程中甚至僅采用人工夯實，填筑質(zhì)量極差。工程供設(shè)置兩個放水涵洞，其中1#涵洞基本處于報廢狀態(tài)，2#涵洞結(jié)構(gòu)也極為破敗，損壞嚴(yán)重。

3.1.2 運行管理評價

卡爾塔水庫管理站目前配備有9名管理人員，負責(zé)水庫的日常巡查、看守等工作。目前，大壩運行缺乏科學(xué)的調(diào)度規(guī)程，庫區(qū)為設(shè)置報警系統(tǒng)，缺乏必須的安全監(jiān)測設(shè)施，通訊條件也較為落后，水庫管理、技術(shù)水平低下。

卡爾塔水庫的主要職責(zé)是提供灌溉用水。庫區(qū)范圍內(nèi)用水主要集中在春、秋兩季。因此，水庫在每年的6-8月引蓄洪水，12月至次年2月引蓄冬閑水。3月、9-11月為耕地及草場提供灌溉水源。水庫目前的灌溉調(diào)度方案極為混亂，未建立一套合理的調(diào)度管理機制，嚴(yán)重影響了水庫作用的發(fā)揮。

3.2 結(jié)構(gòu)安全評價

3.2.1 壩體變形分析

卡爾塔水庫大壩自建成以來，已經(jīng)投入使用超過了40年。壩體、壩基已經(jīng)基本完成固結(jié)沉降。因此，大壩發(fā)生大規(guī)模變形破壞的可能性較小。但由于，大壩建筑質(zhì)量較差，使用期間經(jīng)歷了多次洪水的影響，大壩上游護坡出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破損現(xiàn)象，且部分壩段在設(shè)計時，未采用護坡結(jié)構(gòu)，壩體損毀較為嚴(yán)重。1#放水涵洞采用手動啟閉設(shè)備，涵洞洞室不存在金屬結(jié)構(gòu)，但控制閘門啟閉的卷揚機老化嚴(yán)重。2#放水涵洞采用雙孔結(jié)構(gòu)，采用磚砌，在長期使用中，已經(jīng)嚴(yán)重破損。2#涵洞左孔金屬設(shè)備維護不及時，造成金屬設(shè)備嚴(yán)重銹蝕、老化，且閘門、啟閉設(shè)備已經(jīng)丟失。但由于放水涵洞、泄洪閘等結(jié)構(gòu)已經(jīng)使用多年，基礎(chǔ)沉降已經(jīng)完成，發(fā)生大規(guī)模變形幾率較低。

3.2.2 壩體穩(wěn)定性分析

大壩作為水庫的主要水工建筑物，其穩(wěn)定性分析尤為重要。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，壩體0+155-0+192段屬于危險段，該段壩體遭受水流沖刷侵蝕較為嚴(yán)重，臨水側(cè)形成直立陡坎。對0+200處(最不利斷面)的壩坡穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)現(xiàn)場取樣的室內(nèi)試驗結(jié)果，該斷面處巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

本次主要計算穩(wěn)定期、以及水位降落期壩坡的穩(wěn)定性情況。各種工況下計算成果見表2。從表2中可知在穩(wěn)定滲流期，壩坡的整體穩(wěn)定性情況較好，上、下游壩坡安全系數(shù)K為2.07和1.93，水位下降期上游壩坡安全系數(shù)為1.37，均大于規(guī)范要求的1.15，因此，兩種工況下卡爾塔水庫大壩穩(wěn)定性滿足要求。

表2 壩坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

3.3 抗震及滲流安全評價

3.3.1 抗震安全評價

卡爾塔水庫處于地震Ⅶ度烈度區(qū)，地震加速度a=0.15g，計算參數(shù)按照表1選取。地震工況下壩坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果見表3。從表中可知，地震工況下上、下游壩坡安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值1.01，壩坡穩(wěn)定性滿足要求。

表3 地震工況壩坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

3.3.2 滲流穩(wěn)定性分析

滲流分析采用有限元計算方法，滲流場計算滿足拉普拉斯方程：

(1)

(2)

式中：P為水壓力；H為水頭；kx、ky為X、Y方向滲透系數(shù)。

滲流場分析斷面同壩坡穩(wěn)定性分析一致，選擇最不利的0+200斷面，按最不利水頭差計算，上游水位946.60m，下游水位944.10m。壩體滲漏量計算結(jié)果見表4。

表4 壩體滲流量計算結(jié)果

經(jīng)計算，水庫每年蓄水期間滲漏量>51×104m3，滲漏情況較為嚴(yán)重。根據(jù)巖土力學(xué)試驗結(jié)果可知，壩體土允許比降為0.18，經(jīng)計算下游壩基的水力比降為0.31，已經(jīng)超過允許值，滲流穩(wěn)定性不滿足要求。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合室內(nèi)工作，卡爾塔水庫大壩主要存在工程建設(shè)質(zhì)量低下、缺乏必要的安全監(jiān)測設(shè)施、現(xiàn)場管理水平不足、鋼結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重等問題，經(jīng)過分析，壩體穩(wěn)定性整體滿足要求，滲流條件下存在流土可能。綜合評價確定卡爾塔水庫屬于三類病險庫。

針對卡爾塔水庫現(xiàn)狀，可采用相關(guān)工程措施包括：壩體加高加寬，采用必要的防滲措施，增設(shè)防浪墻；重建水庫泄洪閘以滿足防洪需求；重建放水涵洞并更新啟閉設(shè)備；增設(shè)安全監(jiān)測設(shè)施。同時，水庫應(yīng)當(dāng)提高管理水平，定期觀測壩體穩(wěn)定、滲流、變形等情況，制定科學(xué)合理的調(diào)度方案。