關于壺潭水庫降等論證分析

章宏篇，胡長勇，楊長鋒

（余姚市江河水利建筑設計有限公司，浙江 余姚 315400）

1 工程概況

壺潭水庫位于奉化區(qū)溪口鎮(zhèn)壺潭村上游，于1999 年12 月竣工，是一座以發(fā)電為主結(jié)合灌溉的?。?）型水庫，水庫大壩為砌石重力壩。建設期間對水庫壩基進行過帷幕灌漿處理，效果良好，但缺少原始設計及施工資料。根據(jù)老資料分析，水庫大壩為漿砌塊石，外包鋼筋砼面板，表面模版鋼筋裸露（除溢流壩段下游壩坡外）。

水庫2012 年進行過安全認定，綜合評定該水庫大壩為一類壩。運行幾年水庫狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯安全問題。根據(jù)2012 年《奉化市溪口鎮(zhèn)壺潭水庫大壩安全技術認定綜合評價報告》，水庫大壩壩長為64.0 m，壩高18.0 m，總庫容為10.82 萬m3，壩址以上集雨面積13.0 km2。

壺潭水庫下游壺潭電站發(fā)電裝機1×400 kW，于1999 年12 月建成竣工后發(fā)電，一直處于正常運行，多年平均發(fā)電量為66 萬kW·h，年收益約32 萬元。水庫原設計灌溉面積為500 畝，現(xiàn)狀下游仍然存在田地，灌溉面積500 畝。

2 水庫運行現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)場檢查情況

2022 年1月21日對壺潭水庫進行了現(xiàn)場檢查，檢查的基本情況如下：

（1）大壩。水庫大壩為砌石重力壩，最大壩高18.0 m，壩頂高程298.90 m（85 高程，下同），非溢流壩段壩頂寬3.3 m，壩底寬度8.9 m，壩長64.0 m，其中溢流段長38.3 m，背水坡293.80m高程以上為豎直，以下1∶0.70。

上游壩面為鋼筋砼防滲面板，結(jié)構(gòu)較好，但表面鋼筋裸露明顯；頂砼路面完整，未有開裂變形等情況，鍍鋅鋼管欄桿完好；下游壩面為砼壩殼，結(jié)構(gòu)完整，下游混凝土表面鋼筋裸露明顯（除溢流壩段下游壩坡外）。

圖1 大壩壩頂近照

（2）溢洪道。溢洪道為壩頂自由泄流，凈寬38.30 m，整個堰面為砼結(jié)構(gòu)，堰型為克-奧型實用堰，堰頂高程294.98 m。堰后挑流，下游直接是溪道，溪道基巖出露良好。溢洪道擋墻及溢流面完好，未見明顯開裂變形及漏水情況。

（3）輸水設施。大壩輸水設施為壩下直徑1.0 m鋼筋砼管，進口插門1.0 m，位于左壩肩，結(jié)構(gòu)完好，目前未發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象。鋼筋砼管長120.0 m，后接尺寸1.8 m×1.8 m的隧洞至下游壺潭電站，供其發(fā)電。

圖3 鋼筋砼管照片

2.2 水庫歷年出險情況

水庫自1999年12 月建成運行以來，運行狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯安全問題。

3 大壩安全復核

3.1 大壩防洪能力復核

2012年安全鑒定壺潭水庫總庫容10.82 萬m3，規(guī)模為?。?）型水庫，工程等別為V等，主要建筑物級別為5 級，防洪標準確定為設計洪水標準20 年一遇，校核洪水標準為100 年一遇。

本次復核采用設計洪水標準20年一遇，校核洪水標準為100年一遇。

本次復核后，壺潭水庫100 年一遇校核洪水位相應總庫容為9.37 萬m3，其規(guī)模不足?。?）型水庫，根據(jù)《浙江省山塘綜合整治技術導則》（2017）確定，大壩高為18 m，大于15 m，山塘為高壩山塘，山塘工程等別為Ⅴ等，主要建筑物大壩級別為5 級，洪水標準按20 年一遇洪水設計，100 年一遇洪水校核。

3.1.1 設計洪水計算

（1）流域特征值

壺潭水庫位于溪口鎮(zhèn)壺潭村上游，距離壺潭村約1.2 km（直線距離）。壩址以上集雨面積13.4 km2，主流長度5.65 m，平均坡降68.2‰。

（2）設計暴雨

1）面雨量計算

壺潭水庫流域內(nèi)無雨量站，設計暴雨采用《浙江省短歷時暴雨圖集》（浙江省水文局2003 年版，以下簡稱圖集）計算。

“圖集法”計算設計暴雨。設計暴雨查《浙江省短歷時暴雨》（浙江省水文局2003 年版，以下簡稱“圖集”）點雨量及CV值推算設計暴雨。在指定區(qū)域內(nèi)按圖集規(guī)定查讀10 min、1 h、6 h、24 h的點雨量及CV值，并計算點雨量均值和面雨量。面雨量計算，根據(jù)圖集規(guī)定，流域面積小于10 km2的，點雨量可以代替面雨量，大于或等于10 km2的乘以點面系數(shù)，本水庫集水面積13.4 km2，定點數(shù)目按規(guī)定取2 個；CS/CV根據(jù)圖集規(guī)定為3.5，查詢結(jié)果見表1。

表1 設計流域點面雨量參數(shù)表

設計雨量HP：

不同歷時設計雨量計算成果見表2。

表2 設計流域暴雨量計算表

2）暴雨衰減指數(shù)

衰減指數(shù)n按下式計算：

當ti在10 min～1 h之間，n10，60= 1+1.285lg（H10/H60）；

當ti在1 h～6 h之間，n1.6= 1+1.285lg（H1/H6）；

當ti在6 h～24 h之間，n6.24= 1+1.661lg（H6/H24）。

表3 設計流域暴雨衰減指數(shù)計算表

3）設計雨型

設計暴雨時程雨型（24小時雨型）按圖集規(guī)定，設τ為單位時段，將H24劃分為24/τ個時段，老大項雨量末時刻排在第18～21小時之間，老二項雨量緊排在老大項的前一項，其余時段項雨量按從大到小次序，奇數(shù)項時段雨量排在前，偶數(shù)項時段排在后邊。當后面排滿24 小時后，余下各項時段雨量從大到小排在前面，最后得出24 小時設計雨量過程。

（3）設計洪水

設計洪水產(chǎn)流計算采用扣損法，初損扣除20 mm，后損每小時扣1 mm，匯流計算用推理公式法，推理公式的一般形式為：

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；h 為在全面匯流時代表相應于τ時段的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰的凈雨，mm；F 為流域面積，13.4 km2；τ為流域匯流歷時，h；m 為匯流參數(shù)，根據(jù)流域形狀和下墊面情況，選為浙江省水電院的Ⅲ類線進行計算，m=0.460.154=0.689，=L/J1/3= 5.65/0.06821/3=13.83；L為沿主流從出口斷面至分水嶺最長距離，5.65 km；J為沿流程L的平均比降，0.0682。

（4）設計洪水成果

設計洪水成果見表4，20 年一遇與100 年一遇24 小時洪水過程見表5。

表4 壺潭水庫不同頻率設計洪水成果表

表5 壺潭水庫P=5%、P=1%設計洪水過程表

3.1.2 調(diào)洪計算

1）水庫水位庫容關系曲線

考慮壺潭水庫運行多年，庫容會有所變化，對壺潭水庫庫容進行重新測量，成果見圖4。

圖4 壺潭水庫水位-庫容曲線

2）溢洪設施

水庫溢洪道進口為開敞式溢流堰，判斷出的堰型為克－奧型實用堰，堰頂高程295.00 m，過水堰長B為38.3 m。

按《水力計算手冊（第二版）》（武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室）確定其流量系數(shù)m。流量系數(shù)m=0.504σAσH，得到m=0.488，即綜合流量系數(shù)M=2.16。

溢洪道水位與下泄流量關系按水力學公式：

式中：σs為淹沒系數(shù)，取1；σc為側(cè)收縮系數(shù)，取0.95；M 為綜合流量數(shù)；H0為包括行近流速水頭的堰前水頭。

計算成果見表6。

表6 溢洪道水位～流量關系表

3）調(diào)洪演算

調(diào)洪演算原則為溢洪道自由溢流，起調(diào)水位為295.00 m，壩下涵管不參加調(diào)洪。

水庫調(diào)洪演算通過時段水量平衡原理，用試算法逐時段計算，用公式表示為：

式中：Δt為調(diào)洪時段，h；Q1、Q2為時段初、末入庫流量，m3/s；q1、q2為時段初、末出庫流量，m3/s；V1、V2為時段初、末水庫庫容，萬m3。

按上述原則進行調(diào)洪演算成果見表7，其中N=20年、N=100年調(diào)洪過程見圖5、圖6。

圖6 壺潭水庫（N=100年）調(diào)洪過程線

表7 壺潭水庫調(diào)洪演算成果表

圖5 壺潭水庫（N=20年）調(diào)洪過程線

3.1.3 壩頂高程復核

1）超高計算

根據(jù)《漿砌石壩設計規(guī)范》（SL 25-2006），壩頂超高計算公式為：

式中：Δh為壩頂在靜水位以上的超高，m；hb為波浪高，m；hz為波浪中心線超出水庫靜水位的風壅高度，m；hc為安全超高，m。

①波浪高hb

式中：v0為計算風速，設計取21.65 m/s，校核取14.43 m/s；D為計算吹程，正常水位與校核水位均取86.0 m。

正常水位工況：hb=0.25 m；校核水位工況：hb=0.16 m。

②風壅高度hz

式中：Lm為平均波長，m；H1為壩前水深。

正常水位工況：hz=0.10 m；校核水位工況：hz=0.07 m。

③安全超高hc

正常水位工況：hc=0.4 m；校核水位工況：hc=0.3 m。

計算成果見表8。

表8 大壩超高計算成果表

④壩頂高程復核

壩頂高程復核見表9。

表9 水庫壩頂復核成果表

從表9可見，現(xiàn)狀壩頂（非溢流壩段）高程滿足現(xiàn)行規(guī)范要求

2）防滲體頂超高復核

根據(jù)《導則》，防滲體頂高程應滿足下列要求：

①正常運用情況，應高出正常運用的靜水位0.3 m以上；

②非常運用情況，應不低于非常運用的靜水位。

要求防滲體頂高程為297.80 m以上，現(xiàn)狀壩頂（非溢流壩段）高程298.90 m，則防滲體頂（非溢流壩段）超高滿足規(guī)范要求。

3.2 大壩滲流與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

3.2.1 滲流穩(wěn)定分析

壺潭水庫于1999 年12 月建成竣工運行至今水庫狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯沉降及變形情況，大壩壩體及壩腳均未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏情況。

根據(jù)《砌石壩設計規(guī)范》（SL 25-2006）規(guī)定：“砼防滲心墻的底部厚度宜為最大水頭的1/30～1/60，頂部厚度不應小于0.3 m”，壺潭水庫壩型為混凝土重力壩，上游最大工作水頭（校核洪水位時）16.90 m，則其心墻底部要求厚度為0.56 m～0.28 m，根據(jù)原設計資料，該大壩心墻厚度在0.5 m～0.8 m之間，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

1）大壩結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

水庫大壩壩頂寬3.3 m，壩底寬度8.9 m，壩長64.0 m，其中溢流段長38.3 m，背水坡293.80 m高程以上為豎直，以下坡度為1∶0.70。整個壩體上、下游混凝土表面鋼筋裸露明顯（除溢流壩段下游壩面外）。溢洪道為壩頂自由泄流，凈寬38.30 m，整個堰面為砼結(jié)構(gòu)，堰型為克-奧型實用堰，堰頂高程295.00 m。

從現(xiàn)場檢查，壩體未發(fā)現(xiàn)明顯沉降及變形狀態(tài)，大壩整體質(zhì)量較好，壩體與基巖結(jié)合處無滲漏現(xiàn)象。溢洪道堰后挑流，跌水后直接是下游溪道，溪道基巖出露良好。

2）壩體穩(wěn)定、地基應力分析計算

本工程建基面為弱風化基巖面，大壩地基應力按材料力學方法計算，壩體抗滑穩(wěn)定計算按下式計算，計算長度均取1 m。

式中：K'為按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f'為滑裂面上的抗剪斷摩擦系數(shù)；c'為滑裂面上的抗剪斷凝聚力，kPa；A為滑裂面面積，m2；∑W為作用于計算截面以上壩體全部荷載（含揚壓力）對滑動平面法向分值，kN；∑P為作用于計算截面以上壩體全部荷載（含揚壓力）對滑動平面切向分值，kN；K為按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為滑裂面上的抗剪摩擦系數(shù)。

計算工況如下，其荷載組合見表10。

表10 計算工況及其荷載組合

工況A：基本組合，運行期，壩上游正常水位295.00 m，下游水位281.00 m；

工況B：特殊組合，泄洪期（至壩頂），壩上游水位297.80 m，下游校核洪水283.50 m。

計算參數(shù)：重力壩級別5級，結(jié)構(gòu)安全級別III級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.90，砌體材料容重23.0 kN/m3，基巖抗壓強度標準值30 MPa。壩基面抗剪斷摩擦系數(shù)、抗剪斷凝聚力、抗剪摩擦系數(shù)，見表11。

表11 壩基面抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力表

計算中，砌體的容重取23 kN/m3，壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、壩基砼應力成果見表12。

表12 大壩基底應力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果

從計算成果看，壩基面在各典型工況下，上游面未出現(xiàn)拉應力；當大壩建基在弱風化基巖上時，下游面最大壓應力也在壩基承受的最大允許壓應力30 MPa內(nèi)；抗滑安全系數(shù)也在規(guī)范要求內(nèi)。

3）溢洪設施復核

（1）結(jié)構(gòu)布置

溢洪道為壩頂自由泄流，凈寬38.30 m，整個堰面為砼結(jié)構(gòu)（見圖7），堰型為克-奧型實用堰，堰頂高程295.00 m。溢洪道堰后挑流，跌水后直接是下游溪道，溪道基巖出露良好。

圖7 溢流壩段斷面圖

（2）泄流能力復核

泄流能力復核成果詳見本章節(jié)調(diào)洪演算成果表，設計洪水位與校核洪水位下的泄流能力為242.41 m3/s和346.18 m3/s，水位分別為297.21 m、297.80 m，水庫的泄流能力滿足規(guī)范要求。

（3）消能設施復核

①計算工況及參數(shù)

消能計算采用設計洪水和校核洪水兩種工況，見表13。

表13 消能計算工況組合表

③計算方法

壺潭水庫泄水建筑物為大壩中間河床處的溢流段，采用開敞式溢流。溢洪道頂高程為295.00 m，溢洪道凈寬38.3 m，最大單寬流量9.60 m3/（s·m）。

溢流段采用挑流消能，挑流設施結(jié)構(gòu)不標準，計算時做適當優(yōu)化，挑流鼻坎頂高程285.60 m，挑射角為0°。

挑距計算：

式中：L為挑距，m；V1為坎頂水面流速，m/s；為鼻坎挑角，（°） ；h1為坎頂鉛直方向水深，m；h2為坎頂至河床面高差，m；g為重力加速度，m/s2；

沖坑深度計算：

式中：tk為水墊厚度，自水面算至坑底，m；q為單寬流量，m3/（s·m）；H為上下游水位差，m；k為沖刷系數(shù)，取1.25。

挑流計算成果見表14。

表14 挑流計算成果表

從上計算結(jié)果看，L/d＞3，滿足規(guī)范要求，沖刷坑不會危及壩腳安全。

4 結(jié)語

4.1 結(jié)論

現(xiàn)狀大壩下游面目前未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，壩基在建設期間帷幕灌漿防滲處理過；計算壩體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；經(jīng)溢洪設施復核計算，消能設施滿足規(guī)范要求。工程現(xiàn)狀運行安全。

壺潭水庫原設計灌溉面積500 畝，現(xiàn)狀下游仍然存在田地，灌溉面積500 畝。

壺潭水庫根據(jù)本次測量復核，水庫總庫容為9.37 萬m3，達不到?。?）型水庫標準，實際已為山塘規(guī)模。壺潭水庫降等條件符合《水庫降等與報廢標準》（SL 605-2013）中水庫降等適用條件“實際總庫容不足10 萬m3。降等理由充分，故對壺潭水庫實施水庫降等處理。

4.2 建議

由于水庫現(xiàn)狀大壩、溢洪道和放水設施運行狀況良好，水庫降等后山塘大壩、溢洪道、放水設施等工程規(guī)模維持原狀不變。水庫存在的主要問題為：大壩表面鋼筋頭未清除。

水庫降等為山塘后，針對水庫目前存在的主要問題采取工程措施予以解決。