甘肅永昌皇城水庫大壩安全評價分析

何永祥

(永昌縣皇城水庫管理所，甘肅 金昌 737200)

1 研究數據及方法

1.1 研究區概況

皇城水庫原名皇城灘水庫，位于甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣皇城鎮境內，南距青海省門源回族自治縣62 km，北距永昌縣城47 km，距金昌市區110 km。壩址位于東大河上游的駱駝脖子處，屬石羊河流域，控制流域面積1030 km2，總庫容8000萬m3，是一座以工農業用水為主，結合防洪、發電的綜合利用中型水庫。水庫正常蓄水位2542.0 m，汛期限制水位2539.8 m，最低運行水位2520.0 m。防洪標準為100 a一遇，設計洪水位2542.7 m；1000 a一遇洪水校核，校核洪水位2543.7 m。工程等別Ⅲ等，主要建筑物級別3級，抗震設防烈度Ⅷ度[1-8]。

1.2 計算斷面和滲透系數的選取

大壩共布置22個滲流壓力測點，位于0+060、0+165、0+265、0+375、0+425斷面。因0+165斷面較大，可用于對比計算浸潤線和實測浸潤線，驗證計算成果合理性。因此，本次安全評價選取0+165為計算斷面。根據大壩斷面特點和歷次地勘成果，將計算斷面劃分成砂礫石壩體、壤土斜墻、混凝土防滲墻、貼坡排水體、河床卵石覆蓋層、基巖強風化帶、基巖相對不透水層等分區。

根據設計資料和2020年安全鑒定資料。大壩0+165斷面滲流計算各區滲透系數初始值見表1。

表1 大壩 0+165 斷面滲流計算各區滲透系數初始值

1.3 壩坡抗滑穩定計算

壩坡抗滑穩定計算根據規范選用簡化畢肖普法，計算公式如下：

(1)

式中：W為土條重量，kN；V為垂直地震慣性力(向上為負，向下為正)，kN；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m；b為土條寬度，m；φ′為土條底面的內摩擦角，(°)；c′為土條底面的凝聚力，kPa；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

根據《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2017)，對3級以下的中低壩，采用直接慢剪試驗指標進行計算。2020 年安全鑒定地勘試驗方式為原狀快剪和飽和快剪，因快剪試驗參數偏安全，因此，本次復核計算仍采用前期地勘飽和快剪試驗指標，各主要分區材料物理性質指標與力學參數見表2。

2 結果與分析

2.1 皇城水庫大壩滲流安全分析

2.1.1 大壩滲透系數反演分析

2022年4月1日庫水位(2541.18 m)相對較高，以當日0+165斷面滲流壓力監測數據可繪制實測浸潤線。2022年4月1日K07、K08、K09水位分別為2497.02 m、2496.99 m、2496.47 m，下游水位2495.53 m，以此水位為參照進行反演分析。以表1中的初始滲透系數為基礎，實測測壓管水位為參照標準，做逐步調整滲透系數的反演計算，直至計算值與實測測壓管水位較為接近。經調整0+165斷面壤土斜墻滲透系數為5×10-6cm/s，滲流計算浸潤線與實測浸潤線較為接近[9]。

2.1.2 特征水位下滲流計算分析

以反演計算確定的0+165計算斷面各區材料滲透系數為依據，作特征水位下滲流有限元計算分析，特征水位計算工況見表3。

壤土斜墻消殺約90%的水頭，起到了主要的防滲作用，滲流不會從下游壩坡出逸。混凝土防滲墻計算最大滲透坡降為54.2，未超過混凝土防滲墻允許滲透坡降經驗值 80～100，混凝土防滲墻滲透穩定。壤土斜墻下游滲流出口部位計算最大滲透坡降 0.19，根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)計算得壩體壤土斜墻允許滲透坡降為0.74，計算最大滲透坡降小于允許坡降值，且壤土斜墻下游與砂礫石壩體接觸處設置厚70 cm的反濾層，壤土斜墻下游滲流出口滲透穩定。三種工況下最大總滲漏量約為149萬m3/a，占多年平均來水量比例較小，因此，大壩滲漏量總體不大。綜上可見，滲流計算復核表明大壩滲流安全[10-15]。

2.1.3 輸水發電隧洞、輸水泄洪隧洞滲流安全評價

輸水發電隧洞(1#隧洞)與輸水泄洪隧洞(2#隧洞)均設在大壩左岸，均為巖體中開鑿的深式進口圓形壓力隧洞，直徑4.0 m，縱坡1/200；進口底板高程均為2506.0 m，略高于壩址河床高程；巖石堅硬完整，透水性小，無軟弱夾層，無大斷層通過。兩座隧洞工程地質條件總體較好。根據現場檢查情況，兩座隧洞出口未見異常滲水現象，輸水泄洪隧洞襯砌表面存在局部滲水、破損等缺陷，暫不影響工程安全運行，兩座隧洞滲流基本安全。

2.2 皇城水庫大壩結構安全分析

2.2.1 計算成果分析

計算采用河海大學開發的 autobank 軟件，對壩體不同工況的壩坡進行穩定計算。0+165斷面壩坡穩定分析計算成果見表4。由計算成果可見，在正常運用條件及非常運用條件Ⅰ下，上、下游壩坡靜力抗滑穩定安全系數均大于規范要求值。因此，大壩上、下游壩坡靜力抗滑穩定性均滿足規范要求。

表4 壩坡穩定分析計算結果

2.2.2 輸水發電隧洞、輸水泄洪隧洞結構安全評價

輸水發電隧洞、輸水泄洪隧洞進水塔采用豎井式，整體穩定性好，不再進行結構安全復核。通過計算，輸水發電隧洞、輸水泄洪隧洞出口工作閘室在基本組合和偶然組合下，抗滑穩定及基底應力均滿足要求，工程可安全運行。

3 結 論

(1)大壩壩體壩基滲流和反濾排水設施完善，滿足現行規范要求。復核計算與實測壩體壩基滲流壓力、滲流量變化規律正常，滲透坡降均低于材料允許值，三種工況下最大總滲漏量約為149萬m3/a，占多年平均來水量比例較小，因此，大壩滲漏量總體不大，不存在滲透穩定性問題。

(2)輸水發電隧洞與輸水泄洪隧洞工程地質條件好，巖石透水性弱，現場檢查輸水泄洪隧洞襯砌表面存在局部滲水、破損等缺陷，雖不影響工程安全運行，需加強維修養護。

(3)大壩上下游壩坡靜力抗滑穩定復核計算滿足規范要求，壩頂寬度、上下游護坡、步梯設置等滿足規范要求，不存在危及安全的異常變形。綜上所述，皇城水庫大壩安全性評定為A級。