豐儀山水庫安全評估及加固方案研究

王 鑫

（撫州市城市用水管理辦公室，江西 撫州 344000）

0 引言

確保水庫安全運行需要定期開展水庫大壩安全評價，及時掌握工程的安全狀況，并對出現病險的水庫及時采取控制和除險加固[1]。全面地開展水庫安全評價工作，準確提出大壩、溢洪道、輸水涵管等建筑物存在的問題和安全形態，為水庫大壩安全鑒定、水庫除險加固設計提供科學決策依據[2]，可保障水利工程安全運行效益的發揮。豐儀山水庫從壩體防洪設計標準、結構安全及附屬設施現狀等方面展開評價，依據相應的評估結論設計了科學、經濟的加固方案，為水庫除險加固工作提供思路。

1 工程安全評估

1.1 工程概況

豐儀山水庫位于撫州市東鄉縣楊橋鎮園藝場，距東鄉縣城約20 km，壩址坐落在信江水系東鄉河支流上。壩址以上集雨面積1.00 km2，主河道長1.66 km，河道比降0.0071，總庫容為68.76×104m3，設計灌溉面積400畝，實際灌溉面積350畝，是以灌溉為主，防洪、養殖兼顧的綜合利用性小(二)型水利工程。

1.2 安全評估

根據地勘報告及設計安全復核，按《江西省小（2）型水庫大壩安全評估技術規定》豐儀山水庫大壩屬Ⅲ類壩，不能安全運行，必須盡快對水庫大壩、溢洪道及附屬設施進行除險加固，恢復正常運行。

豐儀山水庫經評估主要存在以下幾方面問題。

1.2.1 壩體高程

大壩為粘土均質壩，壩頂高程48.45 m～48.79 m，頂寬4.90 m～5.50 m。上游壩坡坡比為1∶2.35，下游壩坡坡比為1∶2.6。水庫設計洪水標準為10年一遇，校核洪水標準為50年一遇。計算壩體超高結果見表1。

表1 壩頂高程安全復核表

由表可見，現狀壩頂高程達不到規范要求，需統一壩頂高程為49.35 m。

1.2.2 壩體結構

大壩為均質土壩，上游無護坡，壩體土質差，填筑質量不滿足要求，壩底清基不徹底，無排水設施。

1.2.3 附屬設施

溢洪道現狀為土渠，底板及邊坡均未護砌，且進口控制段兩岸邊坡因人為取土而被拓寬，且邊坡坍塌嚴重,末端無消能防沖設施。涵管進口斜臥管混凝土老化，破損嚴重，無法正常放水。平管為混凝土預制圓涵，混凝土老化破損，接縫漏水水庫無水、雨情觀測設施和大壩安全監測設施，無通訊交通工具，影響防汛搶險。

2 除險加固方案

針對安全評估存在的問題，對水庫進行除險加固，配備相應的管理設施，確保水庫大壩正常安全運行。

2.1 大壩加固設計方案

2.1.1 壩頂整治方案

通過壩頂高程復核計算，目前壩頂高程不能滿足設計洪水、校核洪水的安全需要。本次設計壩頂高程需49.35 m，壩頂寬度4.00 m，兩側設50 cm×25 cm的C20砼路肩石。為了改善大壩的防汛交通條件，結合水庫的運行管理要求，壩頂設置砼路面寬3.5 m，路面傾向下游設2%的橫坡，厚度為20 cm。

2.1.2 壩坡整治方案

大壩現狀上游壩坡無護坡，下游壩坡為草皮護坡，本次設計對上游坡設計洪水位以上0.5 m至死水位采用厚0.1 m的砼預制塊護坡，下設厚0.1 m的砂卵石墊層，以上采用草皮護坡。根據工程的實際情況，上游護坡選砼預制塊和干砌塊石兩種方案進行綜合比較。

（1）干砌塊石護坡（方案Ⅰ）

砌石護坡厚度參照《碾壓式土石壩設計規范》公式計算，見式（1）:

式中:D為石塊的換算球形直徑，m；Kt為隨坡率變化的系數，查表取值 1.3；ρk為塊石密度，t/m3；取 ρk＝1.8；ρw為水的密度，t/m3；ρw＝1.0；m為坡度，m=3.00；hp為累積頻率為10%的設計波浪高度，hp＝0.471m；t為護坡厚度，m。

經計算得:D=0.186 m，t=0.261 m，根據干砌塊石護坡的構造要求及施工技術要求，取干砌塊石護坡厚度t=0.3 m，護坡下采用0.10 m厚砂礫石墊層。

（2）砼預制塊護坡（方案Ⅱ）

方案Ⅱ為正六邊形砼預制塊護坡，砼強度為C15，邊長0.3 m，參照式（2）計算預制砼護坡板厚

式中:η為系數，裝配式取η=1.1；b為沿護坡板向長度，b=0.52 m（分縫間距）；ρc為板的密度，取 ρc=2.4 t/m3；ρw為水的密度，取ρw=1.0 t/m3；hp為累積頻率為 1%的波高，hp＝0.584 m；Lm為平均波長，Lm＝7.42 m；m為護坡坡率，m=3.00。

（3）方案比選

以面積1 m2進行兩方案工程量及造價比較，見表2。

表2 兩方案工程量及造價比較表

從表2中比較結果可知，混凝土預制塊護坡（方案Ⅰ）比干砌塊石護坡（方案Ⅱ）多6.44元/m2，但方案Ⅱ比方案Ⅰ施工干擾少，質量更容易控制，外形美觀，本次加固設計選取砼預制塊護坡（方案Ⅱ）為大壩上游護坡方案。

2.2 溢洪道除險方案

根據溢洪道的工程現狀及安全評價結論，溢洪道除險加固的主要任務是完建溢洪道，出口新建消力池。

2.2.1 溢洪道邊墻

溢洪道進口段及控制段因人為取土被拓寬，地形平坦，現狀為土渠，溢洪道基礎為坡殘積土層，具有弱透水性，抗沖刷能力差。設計完建溢洪道，由于溢洪道進口段、控制段及大部分泄槽段均需回填土方，施工時壓實度要求較高，邊墻墻背承受土壓力較大，故采用C20砼擋墻。

2.2.2 溢洪道消力池設計

根據地形地質條件，采用挖深式消力池銜接陡槽，水流進入消力池底流消能，消力后設泄洪渠。消力池底板高程為44.68 m，設計下泄流量按10年一遇2.63 m3/s。先根據前節所用方法計算出陡槽出口h1=0.05 m，V1=9.40 m/s。消力池底板采用C25鋼筋砼結構，邊墻為重力式擋土墻，頂寬0.3 m，背水面1∶0.35；消力池底板厚0.30 m，底板縱向設3排φ50排水孔，排距3.0 m。

2.3 壩下涵管除險加固設計

2.3.1 涵管工程布置

根據施工要求及地質條件，現對進口斜臥管拆除重建，開挖重建壩下涵管。根據地質條件以及與下游渠道的銜接，將涵管管線與大壩交線處樁號為0+030，涵管進口底板高程保持高程43.45 m不變。

2.3.2 涵管結構設計

涵管進口采用斜管控制，級差為0.4 m，臺階寬1.4 m,放水孔徑為Φ20 cm。斜涵為直徑0.6 m預制砼管外包砼0.20 m厚。壩下涵管長31.5 m，涵管分4節，前3節長均為9.0 m，第4節長4.5 m。進口段長4.4 m，消力池長3.8 m。平涵進水口處設閘門，閘門均采用雙預制閘門中間回填粘土結構。洞身分縫均設銅片止水一道，并在接縫外包鋼筋混凝土截水環，斷面為0.4 m×0.4 m。

3 加固后壩體穩定計算

3.1 計算斷面

結合地質鉆探孔位布置和大壩結構特點，計算選取最大壩高斷面作為計算斷面，計算斷面圖經簡化處理見圖1。

圖1 計算斷面模型圖

3.2 計算方法及工況

大壩壩坡穩定計算可采用瑞典圓弧法，穩定滲流期按有效應力法計算壩坡的穩定最小安全系數，非穩定滲流期分別按總應力法和有效應力法計算壩坡的穩定最小安全系數。計算工況取為穩定滲流期正常運用情況和非正常運用情況組合。

3.2.1 正常運用條件

正常工況:上游水位為正常蓄水位47.00 m，下游地面高程。

設計工況:上游水位為設計洪水位47.42 m，下游地面高程。

3.2.2 非常運用條件校核工況:上游水位為校核洪水位47.61 m，下游地面高程。庫水位非常降落1:上游水位從校核洪水位47.61 m驟降至溢洪道堰頂高程47.00 m處。

庫水位非常降落2:上游水位從正常蓄水位47.00 m驟降至壩前1/3高程44.20 m。

3.3 計算成果

3.3.1 穩定滲流期下游壩坡穩定計算

計算結果表明，大壩設計水位和正常水位兩種工況下形成穩定滲流時，三個計算斷面下游壩坡抗滑穩定系數均大于規范值1.15，滿足規范要求；校核水位工況下形成穩定滲流時，三個計算斷面下游壩坡抗滑穩定系數均大于規范值1.05，達到規范要求。壩坡抗滑穩定系數的變化符合斷面所取位置及斷面的一般規律，見圖2、圖3。

圖2 下游壩坡穩定計算結果（正常蓄水位）

圖3 下游壩坡穩定計算結果（設計洪水位）

3.3.2 庫水位降落期上游壩坡的穩定計算

計算結果表明，庫水位從校核水位47.61 m降至溢洪道堰頂高程47.00 m時，大壩計算斷面上游壩坡最小抗滑穩定安全系數按有效應力法和總應力法計算均大于規范值1.05，滿足抗滑穩定要求；庫水位從正常水位47.00 m降至壩前1/3高程44.20 m時，計算斷面上游壩坡最小抗滑穩定安全系數按有效應力法和總應力法計算大于規范值1.05，滿足抗滑穩定要求，見圖4、圖5。

圖4 非常降落1上游壩坡穩定計算結果

圖5 非常降落2上游壩坡穩定計算結果

4 結語

水庫大壩安全評價是做好安全鑒定和設計除險加固方案的前提。安全評價需要專家組現場檢查、資料整理復核、各部位專項計算驗證，最終得出科學的評價結論。豐儀山水庫大壩在前期資料的基礎上完成了各專項計算驗證，水庫綜合評估為三類壩。同時采取針對性的設計方案，按照壩體、溢洪道、壩下涵管等附屬設施設計了相關除險方案，并完成加固后的穩定計算驗證，在滿足安全運行要求的前提下節省了方案的技術經濟成本。