水庫大壩安全水平評價及加固路徑設計研究

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：李伶俐（1984—），女，湖北天門人，高級工程師，研究方向為水利水電工程。

摘 要：水庫大壩的安全與否不僅決定著水庫能否繼續(xù)發(fā)揮設計功能，還影響著水庫的安全性和穩(wěn)定性。水庫經(jīng)過長時間使用后，可能會由于風化、滲透破壞導致水庫的穩(wěn)定性下降，如果不及時進行加固，一旦出現(xiàn)潰壩等問題將嚴重威脅周邊居民的生命財產(chǎn)安全。針對樂山坡水庫大壩的安全情況開展研究，使用滲流理論、有限元分析、畢肖普法對大壩的滲流狀況、穩(wěn)定性進行了分析，確定大壩在2009年加固后依然存在一定缺陷，并提出了大壩的加固思路，以期幫助技術人員合理進行大壩安全性評價、加固設計。

關鍵詞：水庫大壩；安全評級；加固設計

中圖分類號：TV698.1 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

水庫大壩是水庫的重要組成部分，多數(shù)大壩都采用就地取材、就近取材的建設模式，能夠快速滿足大壩的建設要求，且可以控制建設成本[1-2]。為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水位調控的需求，過去幾十年中，我國在不同地區(qū)進行了大量的水庫工程建設，并在2000年以后開展了對大壩安全的評價工作，針對存在的安全風險、隱患開展了調控工作。

然而，隨著近年來的氣候變化，部分大壩逐漸老化，開始出現(xiàn)抗滑能力不足等問題[3-4]。因此，相關部門應使用有限元分析、滲流理論等方法，進行水庫水壩的安全開展評級工作，確定水庫的安全等級，并根據(jù)水庫的安全情況進行加固設計，提升水庫的安全性[5]。以樂山水庫為例，分析上述工作的意義。

1 工程概況

樂山水庫大壩水庫承雨面積為24 km2，總庫容為

1 518萬m3，水庫主要用于灌溉，并具備攔截漢江水系支流來水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能。水庫建設于1972年10月，在1973年5月投入運行。2007年對水庫大壩進行安全鑒定后，工作人員對水庫進行了除險加固工作，經(jīng)過除險加固后，水庫的蓄水位為75.20 m，壩頂高程為78.13 m，總庫容1 668萬m3。

1.1 大壩結構

水庫大壩為均質黏土壩，壩頂高程為78.13 m，防浪墻高程為79.32 m，壩體全長900 m，寬度5.6 m。大壩上游壩坡在高程67.70 m位置設置了一處平臺，平臺寬度為1.5 m，平臺以上坡比為1∶2.75，平臺以下坡比為1∶3.25。下游壩面設置了草皮護坡以及橫向、縱向排水溝等。

1.2 溢洪道

大壩的溢洪道位于大壩右端，總長508 m，進口開挖后和水庫相連，進口的寬度為30 m，進口段順著溢洪道軸線方向延伸54 m，并設置了石方，保證水流能夠更通暢地進入溢洪道。

1.3 輸水管

水庫設置了兩處輸水管，北側輸水管位于大壩右壩位置。此外還有閘室、豎井、啟閉臺、管道以及出口消力池，閘室的高程為69.20 m，管道長度為28.10 m。相關部門 在進水口設置了一扇工作閘門，并配置了螺桿啟閉機控制閘門啟閉。

1.4 水庫安全問題

水庫于2009年后進行了一次加固，目前又出現(xiàn)了新問題。水庫的上游坡表面水泥存在嚴重的風化問題，強度明顯下降；經(jīng)過多年沖刷后，防浪墻存在比較嚴重的局部破損露筋問題，且有較多裂縫，伸縮縫位置的泡沫板也存在較為嚴重的老化問題；大壩的下游坡踏步損壞較為嚴重，部分位置有白蟻危害；溢洪道的控制段混凝土磨損問題較為嚴重，存在凹凸不平的問題。

2 水庫大壩安全水平評價檢查項目

根據(jù)樂山水庫大壩的特點，對大壩的安全檢查主要包括以下4項內容。

2.1 擋水壩

檢查壩體是否存在裂縫、滑坡、滲漏、隆起、塌坑；查看擋水壩的防浪墻、護坡、排水設施狀況是否良好；檢查壩體和兩岸的接觸情況；查看下游壩坡、坡腳是否存在滲漏，是否有白蟻。

2.2 溢洪道

檢查溢洪道混凝土是否存在裂縫、變形、露筋等問題；查看閘閥操作和控制是否正常。

2.3 輸水管道

檢查引水段是否存在堵塞、淤積、崩塌等問題；查看進水口邊坡、坡面位置是否出現(xiàn)了新裂縫，是否存在塌滑的情況；檢查排水口是否正常。

2.4 監(jiān)測設施

檢查監(jiān)測設備的監(jiān)測精度，查看監(jiān)測項目是否全面；檢查工作人員日常工作的執(zhí)行情況等。

3 大壩滲流

3.1 斷面參數(shù)

根據(jù)2009年加固工程的竣工資料，選擇最能反映大壩特點的K0+090、K0+242、K0+350斷面進行計算，得到大壩各分區(qū)土層滲透系數(shù)（表1）。

3.2 計算方法

使用AutoBank 7.07軟件，采用有限元分析法對壩體滲流穩(wěn)定性進行計算，獲得不同水位下的浸潤線、流網(wǎng)、滲流量。有限元分析法會使用基本微分方程、邊界轉換分析極值問題，將研究區(qū)域分為適合求解的小區(qū)塊單元，在單元內部建立局部方程，然后根據(jù)節(jié)點的關系進行整體求解。

3.3 計算工況

根據(jù)不同的特征水位和特征標高選擇大壩上游水位、下游邊界水位，包括0+090段、0+242段，校核水位為77.29 m、設計洪水位為76.55 m、正常高水位為75.20 m。計算時，假設上游在降雨，水庫的水位高于汛期水位，溢洪道處于自由泄洪狀態(tài)，而且當時南北輸水管道不參與泄洪，可以獲得水庫校核水位回落到正常水位的降落曲線。對于無降雨的情形，南北閘門全開，以最大泄流量從正常蓄水位向下游泄水，可以獲得正常蓄水位到死水位的降落曲線（圖1）。

3.4 計算結果

經(jīng)過滲流計算分析，大壩壩體的滲流系數(shù)較大，壩體的浸潤線從下游壩坡溢出，出逸點高于下游壩腳高程，但是該位置缺少必要的反濾設施。在0+090斷面位置，大壩斷面滲透坡降高于最大允許值0.49，因此壩體存在滲漏隱患的風險；其余位置滲透率迫降都較小，滲透破壞的可能性比較低。在樁號0+242段的高水位工況下，壩腳有30 m寬的散浸段，在大壩的右側還存在繞壩滲漏問題，導致大壩存在流態(tài)不安全的情況。

4 大壩穩(wěn)定性

4.1 計算參數(shù)

通過對本地開展勘察，獲得有關材料物理性質指標和力學參數(shù)（表2）。

4.2 計算工況

結合樂山水庫的運行狀況，取水庫1/3壩高為上游壩坡的最不利水位。在正常工況下，設計洪水位76.55 m

形成穩(wěn)定滲流為下游壩體穩(wěn)定；正常高水位75.20 m

下形成的穩(wěn)定滲流為下游壩坡穩(wěn)定；在壩高1/3的位置，形成穩(wěn)定滲流時，為上游邊坡穩(wěn)定；非常規(guī)情況下，洪水位77.29 m下形成穩(wěn)定滲流時，為下游壩坡穩(wěn)定。

4.3 計算方法

使用AutoBank 7.07軟件中的畢肖普法進行大壩邊坡穩(wěn)定性的計算，計算公式為：

K=

式中，K是安全系數(shù)；W是土條重量；Q和V分別是水平和垂直地震力；u是孔隙水壓力；α是重力線和條塊地面重點半徑的夾角；b是土條寬度。

根據(jù)要求土石壩采用畢肖普法進行計算時，壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)必須控制在1.3以上；在校核水位下運行時，壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)必須在1.2以上。在進行上游水位非常降落運行條件分析時，要使用較小安全系數(shù)作為評價結果。

4.4 計算結果

通過計算邊坡穩(wěn)定性，可知上游1/3壩高水位、校核洪水位降落到正常水位、正常水位降落到死水位的工況下的抗滑安全穩(wěn)定性都能滿足規(guī)范要求。但是在斷面0+090下游坡在洪水位工況（圖2）安全系數(shù)為1.250，0+242下游坡正常蓄水位工況、設計洪水位工況下（圖3）的安全系數(shù)分別為1.268和1.234，因此其抗滑穩(wěn)定性并不能滿足要求。

5 樂山水庫加固設計分析

5.1 大壩安全評價結果

經(jīng)過反復計算，確定大壩的抗滑穩(wěn)定性不滿足要求。上游坡為干砌石護坡，在之前的除險加固中處理過于簡單，導致表面存在水泥漿、勾縫等問題，風化問題也比較嚴重，整體強度較低，并不能滿足厚度要求。大壩的迎水面為混凝土邊坡，相對比較完整，并沒有破損問題。

5.2 上次除險加固工作情況

樂山水庫大壩在2009年進行了一次除險加固工作，完成了大壩上游壩坡的整治、護坡腳槽、路緣石、防浪墻、下游壩坡的加固，但是由于資金問題，溢洪道尾水渠的有300 m沒有襯砌，

5.3 本次除險加固設計

為了提升壩體的抗滑穩(wěn)定性，需要拆除重建上游干砌護石，對防浪墻局部進行維修；大壩下游壩腳的魚塘不滿足安全要求，需要開展對魚塘的回填工作；大壩有滲流問題，應進行大壩整體的防滲處理；防治大壩的白蟻問題。

6 結束語

水庫經(jīng)過長時間運行后，大壩容易出現(xiàn)滲漏情況，穩(wěn)定性會受到比較大的影響。樂山坡水庫雖然在2009年進行過一次修復加強，但依然存在一定的問題。相關部門需要采取措施予以控制。通過對水庫進行滲流、穩(wěn)定性的計算，可以比較清晰地確定水庫的狀況，同時分析過程中需要注意不同工況下水庫的狀況，并針對性采取加固措施，保證水庫的使用壽命。

參考文獻

[1] 宋彥伸.連云港市小型水庫除險加固方案比選與分析[D].揚州：揚州大學，2021.

[2] 依茹罕.基于規(guī)范法與層次分析法的大壩安全綜合評價[D].大連：遼寧師范大學，2021.

[3] 杜修娟.土石壩安全風險評價方法及其應用研究[D].成都：西華大學，2018.

[4] 鄭小武.土石壩的安全風險評估研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2015.

[5] 曾楚武.水庫大壩安全評價及病險土石壩治理對策研究[D].廣州：華南理工大學，2011.