山區(qū)水庫大壩安全鑒定及除險加固應用研究

韓海英

(山東省臨沂市莒南縣陡山水庫管理中心,山東 臨沂 276634)

1 工程概況

水庫大壩高23.2m,壩頂寬度65.3m,湖水容量3.16×104m3。上游坡角20°,下游坡角13.5°,壩頂縱向坡度0.006,輸入初始水位520.15m,溢洪道深度12m,溢洪道底部寬度8m,邊坡傾角33.7°,溢洪道底部高程511m,溢洪道施工后的湖水量8.46×104m3,總?cè)萘?0.69×104m3。臨界滑動坡角50°,下游臨界坡度角30°。

坡壩主要由3層組成:上層(第一層)為礫石土,厚度5～15m;中層(第二層)為強風化碎裂巖,厚度10～15m;底層(第三層)為弱風化碎裂巖。大壩的可蝕性系數(shù)從頂層的120mm3/N-s變化到底層的10mm3/N-s。大壩左右肩部無不良地質(zhì)構(gòu)造,因此大壩邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。對現(xiàn)場取土進行相關的室內(nèi)擊實試驗發(fā)現(xiàn),大壩兩側(cè)填土的干密度小于最大干密度,表明大壩兩側(cè)填土的壓實度較低。通過現(xiàn)場鉆孔注水試驗和室內(nèi)滲透試驗發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場的滲透系數(shù)值處于1.33×10-5～2.23×10-4cm/s之間,即大壩兩側(cè)填土處于具有中等透水性,因此要進行防滲加固處理。大壩基礎的持力層堅硬,承載力高,滿足相應的規(guī)范要求,且相關實驗表面持力層屬弱透水性。根據(jù)原位實驗和室內(nèi)實驗的結(jié)果,建議對該大壩進行防滲加固處理。大壩兩側(cè)填土的壓實度較低,局部區(qū)域存在滲漏現(xiàn)象,但大壩未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)破壞。

2 防洪安全復核及安全評價

防洪安全復核是一種評估洪水風險和安全措施的方法,旨在評估某個地區(qū)的洪水風險,以及當前的洪水安全措施是否足夠保護當?shù)鼐用窈拓敭a(chǎn)安全。在復核過程中,可能會對當前的洪水控制措施進行評估,并確定是否需要進行改進或加強。通過進行防洪安全復核,可以提高公眾對洪水風險的認識,并幫助當?shù)卣拖嚓P利益相關者制定更好的洪水管理政策。此外,復核還可以幫助確定投資洪水控制措施的優(yōu)先級,并確保資金的最大效益。

2.1 水庫的水位及庫容參數(shù)

通過查閱相關規(guī)范,計算不同時間段內(nèi)的降雨量,得到降雨衰減指數(shù),見表1。該水庫以初始水位開始起調(diào),起調(diào)水位520.15m。庫容曲線的繪制是基于該大壩庫區(qū)的實際地形量進行量取,具體數(shù)據(jù)見表2,并可參考圖1。

圖1 水位庫容曲線

表1 降雨衰減指數(shù)

表2 該水庫水位與庫容關系

泄流曲線是大壩防洪安全重要的評估依據(jù)之一,可以用于確定水庫泄洪的合理流量和水位,以及根據(jù)預測的降雨情況和水文條件,預測和控制水庫泄洪的過程。同時,泄流曲線還可以作為大壩運行管理的重要參考依據(jù),以保證水庫的安全運行和防洪能力。它是用來描述大壩水庫泄洪流量與水位之間關系的曲線,橫軸表示水位,縱軸表示泄洪流量。當水位升高時,泄洪流量也隨之升高,泄流曲線的斜率表示水庫泄洪能力的大小。根據(jù)當?shù)厮臄?shù)據(jù)和實測資料,采用式(1)計算溢洪道的泄流,水位下泄流量曲線見圖2。

圖2 水位泄流曲線

(1)

式中:m0為水庫的流量系數(shù),0.35;B為大壩頂部的寬度,350m;H0為考慮流速水頭的總水頭,m。

2.2 水庫調(diào)洪演算

調(diào)洪演算是指通過計算和模擬水文過程,預測和評估不同洪水情況下的水位、流量和泄洪流量等參數(shù),制定合理的洪水調(diào)度方案,以達到最佳的防洪效果和水資源利用效益的目的。本文采用單位線法進行計算,即根據(jù)洪峰流量和洪水過程的時間分布規(guī)律,將總徑流量分配到一定的時間范圍內(nèi),以確定不同時段的徑流量和泄洪流量。水量平衡方程為:

(2)

式中:Q1、q1分別為最初進庫和出庫的水流量;Q2、q2分別為結(jié)束時進庫和出庫的水流量;V1、V2分別為水庫的初始蓄水量和最終蓄水量;Δt為計算的時間。

根據(jù)設計標準和設計洪水頻率,確定設計洪峰流量和洪水過程時間分布。洪調(diào)演算的過程和結(jié)果分別見圖3、圖4及表3。

圖3 P=0.33%的Q-t和q-t過程線

圖4 P=3.33%的Q-t和q-t過程線

表3 水庫的調(diào)洪結(jié)果

通過進行調(diào)洪演算,得出該水庫的相關參數(shù)。由此可知,該水庫的總庫容為10.69×104m3,設計洪水位519.70m,經(jīng)過校核后的洪水位519.91m。

2.3 水庫安全性復核

水庫在頻率為3.33%時,水庫的最高水位519.7 m;在頻率為0.33%時,水庫的最高水位519.91 m。無論是校核高度還是設計高度,均小于某水庫大壩的高度23.2m。因此,按照規(guī)范中壩高取最大值的原則可知,水庫大壩的高度滿足規(guī)范要求,其安全級別屬于A級。

在頻率為3.33%時,水庫設計最大流量15.53 m3/s;在頻率為0.33%時,水庫設計最大流量10.25 m3/s。水庫大壩高度23.2m,壩頂寬度65.3m,湖水容量3.16×104m3。溢洪道深度12m,溢洪道底部寬度8m,邊坡傾角33.7°,溢洪道底部高程511m,溢洪道施工后的湖水量8.46×104m3,總?cè)萘?0.69×104m3,臨界滑動坡角50°。通過比較實際坡降和計算結(jié)果,判斷水流流態(tài)為急流。通過查閱規(guī)范計算大壩的泄槽水面線發(fā)現(xiàn),兩側(cè)的擋墻高度均大于水位高度,因此滿足泄洪要求,且泄洪能力為A級。

2.4 大壩安全性評價

對大壩滲流和大壩結(jié)構(gòu)進行安全性檢查是評價大壩安全性的兩個重要指標。采用拉普拉斯方程(Laplace's equation)計算水庫大壩在無壓滲流條件下的滲透系數(shù),方程表達式見式(3);規(guī)范中對黏性土的滲透允許坡降計算見式(4):

(3)

(4)

式中:kx、ky分別為土體水平方向的滲透系數(shù)和垂直方向的滲透系數(shù);H為土體中任意一點處滲透水的計算水頭,m;Gs為土體的容重,一般取值2.7;n為回填土的孔隙率,一般取值0.4;KB=1.5。

通過當?shù)氐奶钔凉こ痰刭|(zhì)報告,可獲得水庫大壩回填土的相關參數(shù),見表4。帶入表4中的數(shù)據(jù),計算得到大壩J破壞=0.67,小于J允許;當水位處于正常蓄水量時,大壩的滲流量為1.06m3/d·m,因此大壩漏水量的計算值為 13 187m3。通過現(xiàn)場觀察,未發(fā)現(xiàn)大壩下游出現(xiàn)滲流現(xiàn)象,故水庫大壩滲透性能低,滿足要求。

表4 水庫大壩回填土的相關參數(shù)

為了計算大壩的穩(wěn)定性,分別選取4組工況,研究大壩在正常運轉(zhuǎn)條件和非正常運轉(zhuǎn)條件下的邊坡安全系數(shù),計算工況和大壩的穩(wěn)定性計算結(jié)果見表5。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,5級建筑物在正常工作狀態(tài)下的K值應該大于1.25,在非正常狀態(tài)下的K值大于1.15。由表5可知,大壩在上述4種工況下均滿足規(guī)范要求,因此大壩結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。

表5 工況情況

3 大壩加固措施

水庫大壩的安全性主要通過以下幾個方面體現(xiàn):①水庫大壩的主要作用是蓄水和防洪,因此其抗洪能力是非常重要的。如果大壩無法承受洪水沖擊,就會導致大壩破裂、潰壩等嚴重后果。②如果水庫大壩所處地區(qū)經(jīng)常發(fā)生地震,就需要考慮大壩的抗震能力。因為地震可能會導致大壩產(chǎn)生位移、滑坡、斷裂等問題,從而導致大壩安全事故。③大壩需要具備足夠的強度和穩(wěn)定性,以保證在受到外部力的作用下不會發(fā)生塌陷、滑坡、斷裂等情況。④水庫大壩需要具備較好的防滲能力,以防止地下水和溢流水對大壩的侵蝕和沖刷,從而保證大壩的穩(wěn)定性和安全性。⑤及時監(jiān)測和預警大壩的安全狀態(tài)是保障大壩安全的重要手段?？傊?水庫大壩的安全性從多個方面考慮,及時采取相應的技術措施加固處理。

為保障水庫大壩的安全性,可從以下幾個角度對水庫大壩進行加固:①對于水庫大壩來說,防滲是非常關鍵的。因此,可采用土工膜、混凝土等材料進行防滲加固。②對于老化或高度不足的水庫大壩,可通過加高加固的方式增加壩高,使其具備更好的承載能力。③為了分散水流,減少水庫大壩承受的水壓力,可以在大壩前設置引水分流渠道或攔沙壩等工程。④加厚大壩底部或上部結(jié)構(gòu),通過增加截面積來提高其穩(wěn)定性和抗震能力。⑤加裝監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崟r監(jiān)測水庫大壩的變形和裂縫情況,及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施進行修復。⑥為了確保水庫大壩的穩(wěn)定性,可以通過加固基礎的方式來提高其承載能力。需要注意的是,加固水庫大壩需要充分考慮工程技術、材料性能、環(huán)境因素等多種因素,并確保加固方案的可行性和可持續(xù)性。

4 結(jié) 語

本文經(jīng)過對水庫大壩除險加固工程的實際施工質(zhì)量、設計洪水、大壩高度、溢洪道、填土壓實度等方面的考核,結(jié)論如下:

1)根據(jù)原位實驗和室內(nèi)實驗的結(jié)果,建議對該大壩進行防滲加固處理。雖然大壩兩側(cè)填土的壓實度較低,且局部區(qū)域存在滲漏現(xiàn)象,但大壩并未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)破壞,且其沉降已趨于穩(wěn)定。

2)采用單位線法進行調(diào)洪演算,結(jié)果表明該水庫的總庫容大于設計的洪水位和校核后的洪水位,滿足規(guī)范的大壩高度要求,其安全級別屬于A級。兩側(cè)的擋墻高度均大于泄槽水面線的高度,因此滿足泄洪要求,且泄洪能力為A級。對大壩滲流和大壩結(jié)構(gòu)進行安全性檢查,均滿足規(guī)范要求,大壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)該水庫已經(jīng)具備正常的運行條件,但仍應該對大壩的抗洪能力、抗震能力、強度和穩(wěn)定性、防滲能力、監(jiān)測和預警能力等方面進行加固,以確保水庫大壩的運行安全。