中小型水庫大壩安全評價要點及方法探析

覃 情

（柳州水利電力勘測設計研究院,廣西 柳州 545000）

1 引言

我國正在運行的中小型水庫中有相當一部分修建于20世紀50年代～70年代,病險問題比較突出,安全鑒定、除險加固也因此成為確保我國中小型水庫持續、安全運行的重要舉措[1]。安全鑒定是開展中小型水庫安全管理工作的基礎,2003年,我國水利部頒布了《水庫大壩安全鑒定辦法》,規定大壩實行定期安全鑒定制度,首次安全鑒定應在竣工驗收后5年內進行,以后應每隔6年～10年進行一次。運行中遭遇特大洪水、強烈地震、工程發生重大事故或出現影響安全的異常現象后,應組織專門的安全鑒定[2]。之后又于2017年發布了《水庫大壩安全評價導則》,進一步規范了水庫大壩安全管理和評價工作。中小型水庫修建年代久,中間經過多次除險加固,安全影響因素較為復雜,這為其安全評價工作帶來了一定的挑戰。本文以廣西壯族自治區柳州市柳城縣糯米灘水庫大壩為例,就中小型水庫大壩安全評價的要點及方法進行探討,以期能夠為相關工作提供參考與借鑒。

2 糯米灘水庫大壩工程概況

糯米灘水庫位于廣西柳州市柳城縣馬山鄉龍田村的龍江下游,距柳城縣城區35 km,距鳳山鎮17 km,距柳州約90 km,壩址控制龍江流域集雨面積16350 km2,占龍江流域總面積的96.8%,主河道長度345 km。該工程現狀自右至左布置有：右岸水輪泵站、連拱壩段、糯米灘水電站擴建新廠房、糯米灘水電站。其中右岸水輪泵站長81m,啟閉平臺高程90.92 m,連拱壩段計10拱,為混凝土拱、漿砌石墩連拱壩,長109 m,壩頂高程86.95 m～87.32 m,連拱壩壩高8 m～10 m,壩頂溢流。攔河溢流連拱壩和右岸水輪泵站始建于1972年10月,1974年建成,由于灌溉問題已在另外工程中解決,1990年～至今水輪泵站已停止使用,處于報廢狀態。糯米灘水庫電站1979年初動工,1985年建成投產發電。擴建電站是2003年開工,2005年6月完工。糯米灘水庫總庫容為0.615億m3,為中型水庫,工程等別為Ⅲ等,主要建筑物級別為3級,電站攔河大壩為混凝土拱砼、筒、漿砌石支墩連拱壩。

糯米灘水庫自建成運行至今已有近50年,按照《水庫大壩安全鑒定辦法》（水建管［2003］271號）的規定,需對水庫進行安全鑒定。

3 水庫安全評價要點及方法

3.1 基礎資料收集、整理和分析

基礎資料的收集、整理和分析是水庫大壩安全評價的前提和重要基礎。一般來說,水庫大壩安全評價的基礎資料主要包括了大壩的工程特性、工程地質、水文資料以及大壩設計、施工、運行管理、檢查監測、除險加固等情況[3]。由于我國很多中小型水庫建設年代較為久遠以及建設標準較低,很多存在設計資料缺失、缺乏可靠的監測資料等,因此,當基礎資料收集不足以滿足安全評價的需要時,需要重點通過現場工程測量和安全鑒定勘察采集來獲得一手數據,從而為水庫大壩的安全鑒定分級提供計算依據與地質資料。

在糯米灘水庫大壩安全評價基礎資料收集、整理環節,任務落實后,各專業主要負責人員即時收集了《1977年龍江河流山水電站工程初步設計說明書》《1979年糯米灘水力發電廠技施設計說明書》《1999年柳城縣糯米灘水電站大壩加固工程竣工驗收資料圖紙部分》《2003年廣西柳城縣龍江糯米灘水電站擴建工程初步設計報告及圖紙》《2003年廣西柳州市柳城縣糯米灘水電站擴建工程施工進度、施工完成情況表、審核表、往來函》《2003年廣西柳城縣糯米灘水電站擴建工程監理綜合資料》《2008年廣西柳州市柳城縣糯米灘水電站連拱壩維修加固初步設計報告及圖紙》等資料,并查閱、熟悉相關的資料,對水庫大壩的基本情況進行了分析研究。在此基礎上,由糯米灘水庫管理單位、勘測設計單位等共同組成安全檢查工作組,對糯米灘水庫現狀進行了現場安全檢查。現場安全檢查采取查閱資料、現場踏勘和座談討論方式,查閱了前期勘察、設計、施工、驗收及與運行的有關資料,現場查勘并認真聽取水庫管理單位所作的情況介紹,對糯米灘水庫管理設施、運行調度規程、監測設備、大壩、電站廠房、引水及尾水建筑物、交通橋及防汛搶險公路等進行了全面系統的現場檢查,并對大壩可能存在異常滲流的地方進行了特別詳細的檢查。

3.2 大壩安全監測評價

由于很多中小型大壩建設標準較低,限于工程建設時的技術條件、大壩安全管理技術水平和資金投入等問題,在安全監測系統的完備性、監測資料的可靠性方面多有不足,因此,安全監測評價也成為了水庫大壩安全評價的一個關鍵環節。

糯米灘水庫屬中型水庫,大壩為混凝土拱筒、漿砌石支墩連拱壩,主要建筑物級別為3級,按規定應建立有大壩安全監測系統和水情自動測報系統,應設置的主要安全監測項目為：①壩面垂直位移、水平位移、壩基位移；②裂縫變化；③滲流量、揚壓力；④上、下游水位、降雨量、氣溫、庫水溫。

糯米灘水庫現行巡視檢查制度主要分為日常、年度和特別巡視檢查三部分。水庫值班員負責日常巡視檢查,一般情況下為每周一次,汛期則根據臨近時間縮短為三天或一天一次；年度巡視檢查為每年4次,一般在每年的汛前汛后、用水期前后進行,對大壩、溢洪道進行比較全面或專門的巡視檢查；特別巡視檢查由水庫大壩管理單位組織進行,次數不定,主要是在水庫大壩、溢洪道等發生特別安全風險時組織特別巡視檢查,如特大汛情前后或是大壩出現嚴重損毀、破壞現象時。糯米灘水庫大壩在壩頂設有10個位移觀測墩對大壩進行變形監測,但大壩拱間未設有測縫計,大壩拱中壩基未埋設有滲壓計,未設置有量水堰；大壩拱處未埋設有應變計；僅在電站廠房進水口及出水口設立有水尺,有人工觀測記錄,未設置有水情自動測報系統。評價結果為水庫監測系統不完備。

3.3 防洪能力復核

根據水庫建筑物現狀對攔河溢流連拱壩泄流能力重新復核,泄水能力是依據樞紐各部位建筑物的形狀進行計算的,其泄流計算公式為：

糯米灘水庫溢流連拱壩泄流能力計算成果見表1。

表1 溢流連拱壩下泄流能力計算成果表

下游消能防沖水力復核,當洪水流量超過 Q=3950 m3/s時,下游水位為 87.5 m,已超過堰頂（壩頂）87.00 m,不必再進行效能計算。計算僅對 Q=128 m3/s、Q=470 m3/s、Q=2500 m3/s三個小洪水進行跌水效能計算見表2。

表2 溢流連拱壩下游消能計算成果表

由表2計算成果可知,下游消力池滿足規范要求,因此溢流連拱壩不會改變下游河床及岸坡現狀。根據計算結果,水流最大流速小于河床巖石抗沖流速（V=6 m3/s）,因此水流沖刷不會危及溢流連拱壩及岸坡的安全。

3.4 滲流安全評價

滲流安全評價的目的是復核大壩滲流控制措施和當前的實際滲流性態能否滿足大壩按設計條件安全運行。其主要內容包括：復核工程的防滲和反濾排水設施是否完善,設計與施工質量是否滿足現行有關規范要求；查明工程運行中發生過何種滲流異常現象,判斷是否影響大壩安全；分析工程防滲和反濾排水設施的工作性態及大壩滲流安全性態,評判大壩滲透穩定性是否滿足要求；對大壩存在的滲流安全問題分析其原因和可能產生的危害。

由于糯米灘水庫滲流觀測資料較少,大壩滲流安全復核只能以理論計算為依據進行滲流安全分析評價。滲流計算選取拱壩段最大壩高斷面（河中間）,滲流計算以此斷面現狀壩體為代表。根據地質勘察報告,連拱壩斷面計算模型由兩層不同的層組成：①壩體；②基巖。滲流計算參數以巖土實驗數據為準,安全復核指標見表3。

表3 連拱壩滲流參數表

滲流計算采用北京理正軟件設計研究所編制的二維滲流計算程序理正巖土 6.5 版本,程序的求解方法是基于三角形單元的有限元法,用改進平方根法直接求解線性代數方程組。

滲流有限元分析基本方程為：

連拱壩滲流量計算成果見表4。

表4 連拱壩典型斷面滲流計算成果表

安全評價結果顯示：大壩防滲完善,大壩滲流形態較正常,不存在明顯的滲流安全隱患。原有發電廠房和擴建發電廠房建在弱風化灰巖、硅質灰巖上,地質條件良好。安全評價現場檢查,廠房四周附近無明顯滲水、塌陷等現象；混凝土結構完整,沒發現明顯裂縫；原有發電廠房和擴建發電廠房結構基本完好。評定糯米灘水庫滲流安全綜合評價為“B”級。在資料缺失的情況下,滲流安全評價的重點是通過現場檢查測定的滲流量和滲流點,反演推算壩體填筑土的滲流計算參數,使其他工況的滲流計算更加符合實際情況[4]。

3.5 結構安全評價

結構安全評價的目的是復核大壩在靜力條件下（含近壩岸坡）的變形、強度與穩定性是否滿足現行規范要求,其主要內容包括大壩結構強度、變形與穩定復核。結構安全評價可采用現場檢查法、監測資料分析法和計算分析法進行綜合評價[5]。由于糯米灘水庫在運行過程中沒有進行大壩變形觀測資料,故評價無法采用監測資料分析法,只能采用現場檢查法和計算分析法進行綜合評價。

連拱壩抗滑穩定采用抗剪強度公式進行計算：

糯米灘水庫工程規模為中型山區水庫,連拱壩的級別為3級。根據《混凝土拱壩設計規范》（SL 282-2018）的規定,連拱壩抗滑穩定最小安全系數見表5。

表5 大壩抗滑穩定最小安全系數

基本組合：正常蓄水位情況,荷載包括自重、靜水壓力、揚壓力、淤沙壓力、浪壓力

大壩穩定計算成果見表6。

表6 大壩穩定計算成果表

評價結果顯示,連拱壩抗滑穩定安全系數在計算工況下均滿足現行規范要求；拱圈壓應力、拉應力在計算工況下均滿足規范要求。

4 結語

中小型水庫由于運行時間長、基礎資料不完善且歷經多次除險加固,在其安全評價工作中應重點加強現場安全檢查及安全檢測,應采用多種先進適用的手段和技術清查大壩存在的安全隱患問題,為后續安全評價分析結果的合理性奠定堅實的基礎。