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(shè)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(xù)、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(chǔ),2003年,我國水利部頒布了《水庫大壩安全鑒定辦法》,規(guī)定大壩實行定期安全鑒定制度,首次安全鑒定應(yīng)在竣工驗收后5年內(nèi)進行,以后應(yīng)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(fā)生重大事故或出現(xiàn)影響安全的異常現(xiàn)象后,應(yīng)組織專門的安全鑒定[2]。之后又于2017年發(fā)布了《水庫大壩安全評價導(dǎo)則》,進一步規(guī)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(jīng)過多次除險加固,安全影響因素較為復(fù)雜,這為其安全評價工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。本文以廣西壯族自治區(qū)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(guān)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(xiāng)龍?zhí)锎宓凝埥掠?距柳城縣城區(qū)35 km,距鳳山鎮(zhèn)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(xiàn)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(tài)。糯米灘水庫電站1979年初動工,1985年建成投產(chǎn)發(fā)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(guī)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(chǔ)資料收集、整理和分析

基礎(chǔ)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(chǔ)。一般來說,水庫大壩安全評價的基礎(chǔ)資料主要包括了大壩的工程特性、工程地質(zhì)、水文資料以及大壩設(shè)計、施工、運行管理、檢查監(jiān)測、除險加固等情況[3]。由于我國很多中小型水庫建設(shè)年代較為久遠以及建設(shè)標準較低,很多存在設(shè)計資料缺失、缺乏可靠的監(jiān)測資料等,因此,當基礎(chǔ)資料收集不足以滿足安全評價的需要時,需要重點通過現(xiàn)場工程測量和安全鑒定勘察采集來獲得一手數(shù)據(jù),從而為水庫大壩的安全鑒定分級提供計算依據(jù)與地質(zhì)資料。

在糯米灘水庫大壩安全評價基礎(chǔ)資料收集、整理環(huán)節(jié),任務(wù)落實后,各專業(yè)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(shè)計說明書》《1979年糯米灘水力發(fā)電廠技施設(shè)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(shè)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(jiān)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(shè)計報告及圖紙》等資料,并查閱、熟悉相關(guān)的資料,對水庫大壩的基本情況進行了分析研究。在此基礎(chǔ)上,由糯米灘水庫管理單位、勘測設(shè)計單位等共同組成安全檢查工作組,對糯米灘水庫現(xiàn)狀進行了現(xiàn)場安全檢查?，F(xiàn)場安全檢查采取查閱資料、現(xiàn)場踏勘和座談討論方式,查閱了前期勘察、設(shè)計、施工、驗收及與運行的有關(guān)資料,現(xiàn)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(shè)施、運行調(diào)度規(guī)程、監(jiān)測設(shè)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(tǒng)的現(xiàn)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(jiān)測評價

由于很多中小型大壩建設(shè)標準較低,限于工程建設(shè)時的技術(shù)條件、大壩安全管理技術(shù)水平和資金投入等問題,在安全監(jiān)測系統(tǒng)的完備性、監(jiān)測資料的可靠性方面多有不足,因此,安全監(jiān)測評價也成為了水庫大壩安全評價的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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(guī)定應(yīng)建立有大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)和水情自動測報系統(tǒng),應(yīng)設(shè)置的主要安全監(jiān)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(xiàn)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(jù)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?qū)ｉT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(shù)不定,主要是在水庫大壩、溢洪道等發(fā)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(xiàn)嚴重損毀、破壞現(xiàn)象時。糯米灘水庫大壩在壩頂設(shè)有10個位移觀測墩對大壩進行變形監(jiān)測,但大壩拱間未設(shè)有測縫計,大壩拱中壩基未埋設(shè)有滲壓計,未設(shè)置有量水堰；大壩拱處未埋設(shè)有應(yīng)變計；僅在電站廠房進水口及出水口設(shè)立有水尺,有人工觀測記錄,未設(shè)置有水情自動測報系統(tǒng)。評價結(jié)果為水庫監(jiān)測系統(tǒng)不完備。

3.3 防洪能力復(fù)核

根據(jù)水庫建筑物現(xiàn)狀對攔河溢流連拱壩泄流能力重新復(fù)核,泄水能力是依據(jù)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(fù)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(guī)范要求,因此溢流連拱壩不會改變下游河床及岸坡現(xiàn)狀。根據(jù)計算結(jié)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(fù)核大壩滲流控制措施和當前的實際滲流性態(tài)能否滿足大壩按設(shè)計條件安全運行。其主要內(nèi)容包括：復(fù)核工程的防滲和反濾排水設(shè)施是否完善,設(shè)計與施工質(zhì)量是否滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求；查明工程運行中發(fā)生過何種滲流異常現(xiàn)象,判斷是否影響大壩安全；分析工程防滲和反濾排水設(shè)施的工作性態(tài)及大壩滲流安全性態(tài),評判大壩滲透穩(wěn)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(chǎn)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(fù)核只能以理論計算為依據(jù)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(xiàn)狀壩體為代表。根據(jù)地質(zhì)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(shù)以巖土實驗數(shù)據(jù)為準,安全復(fù)核指標見表3。

表3 連拱壩滲流參數(shù)表

滲流計算采用北京理正軟件設(shè)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(shù)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(jié)果顯示：大壩防滲完善,大壩滲流形態(tài)較正常,不存在明顯的滲流安全隱患。原有發(fā)電廠房和擴建發(fā)電廠房建在弱風化灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r上,地質(zhì)條件良好。安全評價現(xiàn)場檢查,廠房四周附近無明顯滲水、塌陷等現(xiàn)象；混凝土結(jié)構(gòu)完整,沒發(fā)現(xiàn)明顯裂縫；原有發(fā)電廠房和擴建發(fā)電廠房結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shù),使其他工況的滲流計算更加符合實際情況[4]。

3.5 結(jié)構(gòu)安全評價

結(jié)構(gòu)安全評價的目的是復(fù)核大壩在靜力條件下（含近壩岸坡）的變形、強度與穩(wěn)定性是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,其主要內(nèi)容包括大壩結(jié)構(gòu)強度、變形與穩(wěn)定復(fù)核。結(jié)構(gòu)安全評價可采用現(xiàn)場檢查法、監(jiān)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(jiān)測資料分析法,只能采用現(xiàn)場檢查法和計算分析法進行綜合評價。

連拱壩抗滑穩(wěn)定采用抗剪強度公式進行計算：

糯米灘水庫工程規(guī)模為中型山區(qū)水庫,連拱壩的級別為3級。根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》（SL 282-2018）的規(guī)定,連拱壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)見表5。

表5 大壩抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

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(wěn)定計算成果見表6。

表6 大壩穩(wěn)定計算成果表

評價結(jié)果顯示,連拱壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在計算工況下均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；拱圈壓應(yīng)力、拉應(yīng)力在計算工況下均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

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