水庫除險加固方案設計與技術優化及壩體穩定性分析

摘要：本研究以北京市密云區肖河峪水庫作為研究對象，詳細介紹了肖河峪水庫的基本狀況。結合《密云區肖河峪水庫大壩安全評價報告》，深入剖析了水庫當前存在的問題。基于分析結果，從防洪工程完善、水庫大壩維修、輸水管修復、值班室改建以及工程觀測體系優化等多個方面，設計了針對性的水庫除險加固方案。通過壩體應力分析，結果顯示：經過加固處理后的肖河峪水庫壩體各項指標符合《砌石壩設計規范》要求。同時，對水庫壩坡安全系數的分析結果表明：肖河峪水庫壩體上下游邊坡的抗滑穩定性滿足《碾壓式土石壩設計規范》相關規定，有效提升了水庫的安全性與穩定性。

關鍵詞：水利水電工程；除險加固技術；應力分析；壩坡穩定性分析；

中圖分類號：TQ178；TV642.4文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0163-04

Reservoir reinforcement scheme design and technical optimization and dam body stability analysis

MU Mingyao1，WANG Yuehang2，FENG Guolei3

（1.Water Affairs Bureau of Miyun District District，Beijing 101500，China；

2.Miyun District Soil and Water Conservation Workstation in Beijing，Beijing 101500，China；

3.Miyun District Water Engineering Construction and Management Affairs Center in Beijing，Beijing 101500，China）

Abstract：This study takes Xiaoheyu Reservoir in Miyun District of Beijing as the research object，and introduces the basic situation of Xiaoheyu Reservoir in detail.Combined with the dam safety evaluation report of Xiaoheyu Res?ervoir in Miyun District，the existing problems of the reservoir are deeply analyzed.Based on the analysis results，a targeted reservoir reinforcement scheme is designed from the aspects of flood control project improvement，reservoir dam maintenance，water pipeline repair，duty room reconstruction and engineering observation system optimiza?tion.Through the stress analysis of the dam body，the results show that the indicators of the dam body of the Xiao?heyu Reservoir after reinforcement are inline with the requirements of the Code for Design of Masonry Dams.At the sametime，the analysis results of the safety factor of the dam slope of the reservoir show that the anti-sliding stabili?ty of the upstream and downstream slopes of the Xiaoheyu Reservoir dam body meets the relevant provisions of the Code for Design of Rolled Earth-rock Dams，which effectively improves the safety and stability of the reservoir.

Keywords：water conservancy and hydropower projects；risk removal and reinforcement technology；stress analysis；dam slope stability analysis

水利水電工程[1]中，水庫屬于重要的基礎建設，具有配置水資源和優化水資源時空分布等作用。目前我國水庫面臨穩定安全問題和滲流問題。該問題使石壩的安全性和穩定性[2]受水庫水位變動的影響，包括水位的驟降和驟升，從而改變壩體邊坡原始的安全系數，導致壩體滑坡[3-4]。在該過程中，壩體有效應力、土體強度參數和浸潤線高程都會受到水庫水位變動的影響，進而降低壩體的穩定性。

北京市密云區肖河峪水庫流域面積達14.91 km2。依據《水庫大壩安全評價導則》，該水庫被評定為三類壩，需開展除險加固工作。在此過程中，水庫除險加固技術以及壩體穩定應力分析方法極為關鍵。本文以肖河峪水庫為研究實例，實施了相應的除險加固措施，并對加固后的壩體穩定應力展開分析，以此驗證分析方法的有效性。

1水庫現狀及評價

肖河峪水庫建于1969年，位于潮河支流紅門川河支流右岸一支溝上，屬于V等工程，大壩設計為漿砌石重力壩，最初具備灌溉和防洪功能。然而，隨著多年發展，水庫的灌溉功能目前處于暫停狀態，當下主要功能為向下游放水及防洪。北京市密云區肖河峪水庫的流域面積為14.91 km2，壩頂總長為81米，總庫容量為16.75萬m3。在水庫建筑中，灌溉輸水管、溢流壩和擋水壩是水庫中的重要建筑物[5-6]。2020年7月北京市水利規劃設計研究院受密云區水務局委托，編制了《密云區肖河峪水庫大壩安全評價報告》。該報告內容包括工程質量、運行管理評價、防洪標準復核、滲流安全、結構安全和金屬結構安全。根據評價報告顯示，在工程質量方面，存在如下問題：大壩砌石局部出現勾縫脫落現象，堰面混凝土表面有凍融剝蝕現象，閘閥井漿砌石出現破損。運行管理評價顯示，安全監測設施尚不完善，水庫管理單位對大壩安全的監測范圍不夠廣泛。防洪標準復核發現，大壩在校核洪水位時，防洪能力未達規定要求，防浪墻頂高程不足，致使校核洪水無法安全下泄，大壩防洪安全性評定為C級。滲流安全方面，大壩滲流安全性為A級，表面狀況良好[7-8]。結構安全方面，肖河峪水庫結構安全性為A級，不存在危及結構安全的變形等問題。金屬結構安全評價結果為A級，能夠滿足水庫日常運行需求。

2水庫除險加固方案設計與技術優化

對肖河峪水庫開展現場勘查，并結合水庫實際運行情況，運用與之適配的除險加固技術[9]，以此防范諸如溢流、滑坡[10]等情況的發生，進而提出具體的水利水電工程水庫除險加固措施[11]。

1.防洪工程。清理右岸擋水壩壩頂的鑿毛，將鋼筋混凝土澆筑在壩頂，增加壩體高度，整體澆筑溢流壩右邊墻、壩頂防浪墻和右岸擋水壩[12-13]。整體澆筑后，壩頂高為239.5 m，溢流壩右邊墻和防浪墻高為240.7 m，將1.2 m的不銹鋼欄桿增設到壩頂下游。將土清填至左岸擋水壩壩頂，將其高程增加到與右岸擋水壩相同。利用漿砌石完成壩體的加高，同時將鋼筋混凝土澆筑在壩頂表面，整體澆筑溢流壩左邊墻、壩頂防浪墻和左岸擋水壩。整體澆筑后，壩頂高為239.5 m，溢流壩左邊墻和防浪墻高為240.7 m，將

1.2 m的不銹鋼欄桿增設到壩頂下游。

2.水庫大壩維修。鑿除2 cm的堰面部位，并用相同厚度的高分子纖維聚合物砂漿找平堰面[14]；修復溢流壩2側、上游面以及擋水壩段上下游面的邊墻砌石勾縫。

3.輸水管維修。清除灌溉輸水管進口處的淤泥，防腐處理輸水管道的管件、閥門。將鍍鋅鋼筋攔污網設置在輸水管的進口處。采用鋼筋混凝土結構修建閘閥井，并將其設置在現有閘閥井上游的3.5 m處。泄洪時，右岸第2溢流壩下游沖刷區中的輸水管頂容易被沖刷，因此，需要加固處理該輸水管頂部，處理措施是采用0.5 m厚的鋼筋混凝土加固[15]在輸水管頂部位置。

4.值班室改建。翻修原有的壩上簡易值班室，遵循減少新增征地、合理利用空間的原則，在原有值班室附近修建新的值班室，方便日常巡查水庫大壩。新建的值班室的位置與壩頂、交通道路的距離應較近。

5.工程觀測。將變形觀測點設置在擋水壩2岸壩頂，以便實時觀測大壩的變形情況[16-18]，并且在大壩變形達到閾值時，發出聲光報警。

3結果與分析

應用上述水利水電工程水庫除險加固技術，除險加固肖河峪水庫，分析加固后水庫的穩定應力。

3.1壩體穩定應力分析

3.1.1荷載組合

設置2種荷載組合：第1種荷載是在正常水位條件下由浪壓力、揚壓力、水壓力、自重和泥沙壓力構成；第2種荷載是在校核洪水位下，構成荷載的壓力與第1種荷載組合相同。荷載組合在不同工況下的計算結果如表1所示。

3.1.2應力分析

將壩體分為上游面和下游面，分別對壩體兩面展開應力分析，結果如圖1所示。

由圖1可知，上邊緣和下邊緣在第1種荷載組合條件下的最大應力分別為0.27 MPa和0.30 MPa；上邊緣和下邊緣在第2種荷載組合條件下的最大應力分別為0.25 MPa和0.297 MPa。肖河峪水庫壩體為水泥砂漿塊石砌體，根據《砌石壩設計規范》可知，第1種荷載組合和第2種荷載組合的容許壓應力值分別為3.35 MPa和3.95 MPa，通過上述應力分析結果可知，肖河峪水庫壩體符合設計規范。

采用拱梁分載程序繪制肖河峪水庫壩體在第2種荷載組合工況下的應力等值線圖。

《砌石壩設計規范》中規定壩周邊的容許拉應力值為1.2 MPa，剩余部位為1 MPa，壩體上游面和下游面的應力值均在容許范圍內，根據結果分析表明的肖河峪水庫壩體及應力符合設計規范如圖2所示。

3.2邊坡穩定分析

分析邊坡穩定性，在水位驟升至校核洪水位工況下，壩體上下游邊坡安全系數在水位上升速率為0.2 m/d，0.5 m/d，1 m/d，2 m/d，3 m/d時的變化情況如下：

由表2、表3中的數據可知，上游壩安全系數在水位驟升工況下在短時間內增大，經過快速上升后趨于穩定，安全系數保持穩定所需的時間隨著水位上升速率的增大而減小。下游壩安全系數在水位驟升情況下首先減小，在減小后安全系數以較小的幅度增大，下游壩的安全系數隨著水位上升速率的增大變化幅度變小。

《碾壓式土石壩設計規范》規定壩坡抗滑穩定的安全系數需要高于1.20，在上述測試中，肖河峪水庫壩體上下游邊坡安全系數均在1.20以上，表明肖河峪水庫壩體上下游的壩坡抗穩定符合要求。

4結語

現場調查肖河峪水庫除險加固情況，發現水庫目前存在的風險，以此為依據，制定肖河峪水庫除險加固方案，并對加固后水庫的應力和邊坡穩定性展開分析，經驗證肖河峪水庫壩體上游面和下游面的應力值均在容許范圍內，壩坡抗穩定符合要求。該結果驗證了提出的水利水電工程水庫除險加固措施具備可行性和有效性。

【參考文獻】

[1]ZHANG D，WANG Y，LUO F.Application of micro nano bubble technology in water level recovery of water conser?vancy construction engineering[J].International Journal of Nanotechnology，2022，19（12）：1177-1194.

[2]李斌.尾礦庫安全評價中壩體結構穩定性分析[J].世界有色金屬，2022（4）：60-62.

[3]孫燕琴，朱泓.海南某水利樞紐壩肩高邊坡穩定性評價和處理措施探討[J].科技通報，2022，38（8）：74-78.

[4]郭璐，賀可強，周云，等.水庫型滑坡復合水動力增載位移響應比物理預測模型及其應用[J].工程地質學報，2022，30（5）：1561-1572.

[5]盛金保，向衍，楊德瑋，等.水庫大壩安全診斷與智慧管理關鍵技術與應用[J].巖土工程學報，2022，44（7）：1351-1366.

[6]左建，林云發，鄧山，等.丹江口水庫興利效益影響因素分析[J].長江科學院院報，2022，39（5）：22-27.

[7]岑威鈞，陳司寧，李鄧軍，等.考慮土工膜缺陷的石渣壩三維滲流特性分析[J].河海大學學報（自然科學版），2021，49（5）：413-418.

[8]繆新穎，單玉鵬，紀建偉.PCA-GA-LM模型在水庫土石壩滲流預測中的應用[J].沈陽農業大學學報，2021，52（3）：377-384.

[9]魏濤.碳纖維布在水庫加固工程中的應用[J].粘接，2019，40（12）：12-15.

[10]ZHANG C，YIN Y，YAN H，et al.Centrifuge modeling of multi-row stabilizing piles reinforced reservoir land?slide with different row spacings[J].Landslides，2023，20（3）：559-577.

[11]雷恒，羅艷麗.水庫大壩除險加固施工技術應用研究[J].工程抗震與加固改造，2021，43（6）：130-134.

[12]曹檢云，劉國坤，孫劍峰.大跨度懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋多目標索力優化研究[J].公路工程，2022，47（3）：30-34.

[13]王輝，王開強，周環宇，等.同步切割澆筑混凝土連續墻鋼筋籠后置試驗與計算分析[J].施工技術（中英文），2022，51（16）：36-39.

[14]陳成文，趙朋濤，邵立榮，等.高精砌塊專用抹面聚合物水泥砂漿配合比設計[J].技術與創新管理，2023，44（3）：356-363.

[15]余家筆.高性能防水膠粘劑在鋼筋混凝土結構補強加固中的應用[J].粘接，2023，50（1）：48-52.

[16]李凌婧，姚鑫，周振凱，等.Sentinel-1數據在西南山區水庫變形斜坡InSAR監測中的適用性評價：以溪洛渡水庫為例[J].地質力學學報，2022，28（2）：281-293.

[17]劉丹，呂倩，胡少華，等.大壩變形GA-LSTM組合預測模型研究[J].安全與環境學報，2023，23（7）：2246-2253.

[18]黎祎，趙二峰，何菁.大壩變形監測異常數據識別和重構模型[J].水利水電科技進展，2023，43（2）：109-114.

（責任編輯：李睿）