长潭水库除险加固工程建筑物安全后评价

梁敏慧

(台州市水利局，浙江台州 318000)

0 引言

长潭水库位于浙江省台州市黄岩区境内，是台州市的命脉水利工程，水库工程于1958年动工，1964年竣工，大坝为粘土斜墙砂卵石土坝，工程自竣工后至2002年除险加固前，由于大坝工程质量问题，以及库区移民和土地征用等问题，水库长期限制蓄水，梅汛期降至33.00 m，台汛期降至31.00 m，不能按设计运用.期间，库水位超过正常蓄水位36.00 m高程(原溢洪道顶高程)仅为两次.1990年8、9 月间水库连续遭遇 12#、15#、17#、18#等4 次台风暴雨，9月9日出现水库历史最高水位38.09 m，入库洪水总量 4.5 ×108m3，洪峰流量 3 900 m3/s，最大下泄流量560 m3/s.水库运行最低水位为11.67 m(1967年9月).隐患日益凸显，为此，2002－2005年水库实施了除险加固工程，总投资达1.78亿元，对大坝坝体、泄洪洞和溢洪道内部结构进行全面强筋健骨，2005年3月竣工验收后，水库总库容从原6.91亿m3增加到7.32以m3，枢纽工程面貌焕然一新，正常蓄水位首次恢复到36 m，真正达到了100 a一遇设计1 000 a年校核的设计要求.

1 溢洪道安全分析

1.1 变形监测计算

溢洪道左、右岸边坡共设置变形测点11个(左岸10个，右岸1个)，溢洪道变形一年观测2～4次.参照《浙江省台州市黄岩区长潭水库监测资料分析评价报告》(南京水利科学研究院，2011年6月)相关成果，变形监测主要分析结论如下.

(1)溢洪道位移呈一定的年周期变化，主要受气温的影响，一般表现为:气温下降，溢洪道水平位移表现为向上游位移，竖向位移表现为下沉;反之则反.其变化规律基本符合基岩热胀冷缩的规律性.库水位对溢洪道位移影响较小.各测点测值变化规律具有一致性，表明溢洪道变形均匀稳定，无明显相对位移现象.

(2)从变化趋势来看，溢洪道水平位移测值基本在－5～10 mm之间变化，基本趋于稳定;竖向位移在2007年以前变幅及下沉位移均较大，之后测值基本在－20～10 mm之间变化，但总体表现为上抬位移趋势.

(3)溢洪道水平位移向上游变形的最大测值为7 mm，向下游变形的最大测值为14 mm，竖向位移最大沉降量为28 mm，最大上抬位移量为27 mm.变形量相对较大，这可能与观测精度相对不高有一定的关系，考虑溢洪道岸坡为高边坡，建议提高观测精度的同时加强观测.

1.2 水力复核计算

(1)泄流能力复核

依据《溢洪道设计规范》(SL253－2000)并结合水库溢洪道实际情况，其泄流能力按驼峰堰计算，计算公式［1］为:

式中:Q—流量，m3/s;B—宽顶堰总净宽，m;

H0—计入行进流速的堰上总水头，m;

g—重力加速度，m/s2;ε—闸门侧收缩系数;

ζ0—中墩形状系数;ζk—边墩形状系数;

m—驼峰堰流量系数，本工程为b型堰，按下式计算:

P1/H0≤0.34 时，m=0.385+0.224(P1/H0)0.934P1/H0＞0.34 时，m=0.452(P1/H0)－0.032

式中:P1—上游堰高，m.

经计算，溢洪道泄流能力见表1.

溢洪道泄流能力进行了水工模型试验研究，表1中同时给出了各试验水位下的泄流能力(部分为内插值).由表可见，本次复核溢洪道泄流能力计算值与试验值基本一致，在校核水位时仅相差0.5%.因此，溢洪道泄流能力满足泄洪安全要求.

(2)泄槽水面线复核

下游泄槽流态较为复杂，对泄槽水面线进行了模型试验，成果见表2.

表2 泄槽水面线模型试验成果

由表中计算结果对照泄槽现状挡墙高度，安全超高满足《溢洪道设计规范》(SL253－2000)规定的“泄槽段边墙高度应根据计入波动及掺气后的水面线，再加上0.5～1.5 m的超高”的要求.

(3)消能防冲复核

泄槽下游为差动式挑流鼻坎，消能防冲按50年一遇(P=2%)洪水标准设计，上游库水位38.91 m，相应溢洪道下泄流量972 m3/s(控泄)，泄槽下游泄洪渠水位11.46 m.

根据模型试验成果，在宣泄不同洪水流量时水舌挑距和入水宽度列于表3.

表3 水库挑距及冲坑模型试验成果

从表中数据和试验结果可以看出，挑流水舌呈现扇形分布，横河向水舌挑距长度不等;流态观测表明，扩散水舌入塘时出现干砸消力塘两侧底板的现象，对两侧导墙稳定不利，需要在以后的泄洪运行中加以关注和重视.

由于未做动床模型试验，水舌冲坑没有数据.因水垫塘左侧地质条件相对较差，在今后泄洪过程中，应密切注意冲坑变化，重视水垫塘左侧导墙的稳定问题.

2 泄洪洞安全分析

2.1 水力复核分析

(1)泄流能力复核

泄洪洞为深孔塔式进水口有压隧洞，依据《水工隧洞设计规范》(SL279－2002)并结合水库泄洪洞实际情况，其最大泄流能力近似按照均匀流、管流情况计算，计算公式［2］为:

式中:Q—流量，m3/s;C—谢才系数;

A—过水断面面积，m2;R—水力半径，m;

H—总水头/m;l—管道长度;n—糙率.

经复核，在校核洪水43.01 m时，泄洪洞的泄流量在闸门全开状态时约为252 m3/s.除险加固后泄洪洞由于洞泾减小，复核泄流量与原设计流量相比有所减小，但考虑泄洪洞最大泄流量不到溢洪道泄流量的10%，主要泄洪设施依赖于溢洪道，而将泄洪洞作为泄洪安全储备或预泄设施是合适的.

2.2 消能防冲复核

泄洪洞消能防冲方式为挑流消能.

(1)计算原理

依据《溢洪道设计规范》(SL253－2000)，对于挑流消能的水力计算包括挑流水舌抛距和最大冲刷坑深度，相应的计算公式为:

式中:L—水舌挑距，m;

V1—坎顶水面流速，m/s，取坎顶平均流速的1.1 倍;

α—鼻坎挑射角度;

h1—坎顶平均水深h在铅直方向的投影，即h1=hcosα，m;

h2—坎顶至河床表面高差，m;

g—重力加速度/m/s2;

tr—冲刷坑深度/m;

Kr—冲刷坑系数.对于坚硬完整岩石取(0.9～1.2)，对于坚硬完整性较差的岩石取(1.2 ～1.5)，软弱破碎的岩石取(1.5 ～2.0);

H—上下游水位差，m;t—下游水深，m.

(2)计算参数及结果

根据《溢洪道设计规范》(SL253－2000)中的有关规定，选取设计洪水及校核洪水两种工况，计算泄洪洞泄洪时挑流消能的挑流水舌抛距和最大冲刷坑深度.

泄洪洞出口消能段挑流鼻坎的挑射角α=35°，泄槽末端基岩完整性较好，因此取冲刷坑系数Kr=1.2，可得计算结果见表4.

表4 水库挑距及冲坑计算结果

可见，溢洪洞冲刷坑中心线到泄槽末端的距离(即安全挑距)最小值为37.06 m，与最大可能冲刷坑深度7.05 m的比值为5.25，满足规定的要求值2.5～5.0倍.因此，泄洪洞挑流消能满足规范要求.

3 发电洞安全分析

3.1 泄流能力复核

发电洞为有压隧洞，依据《水工隧洞设计规范》(SL279－2002)并结合发电洞实际情况，其最大泄流能力近似按照均匀流、管流情况计算，计算公式［3］为:

式中:Q—流量，m3/s;C—谢才系数;

A—过水断面面积，m2;R—水力半径，m;

H—总水头，m;l—管道长度;n—糙率.

经复核，在正常蓄水位36 m条件下，发电洞的泄流量在闸门全开状态时约为246 m3/s，满足灌溉流量需求.

3.2 隧洞衬砌复核

发电洞为有压隧洞，主要承受荷载为内水压力，在校核工况下闸门关闭时内水压力最大，由于输水洞开挖位置为基岩(凝灰流纹岩)，岩石力学性质较好，按照公式计算A＜0［4］.隧洞实际采用钢筋混凝土衬砌0.5 m，并进行回填和固结灌浆.因此，发电洞衬砌满足要求.

4 结论和建议

4.1 评价结论

经对长潭水库大坝及发电洞、泄洪洞和溢洪道闸建筑物现场检查、监测资料分析、结构计算等，对输水、泄水结构性态现状评价如下:

(1)大坝至今已运行50多年，固结沉降基本完成，各测点沉降均已趋于稳定，年变化率不大.坝顶坝轴线测点竖向位移最大为116.8 mm，小于土石坝沉降控制标准(1%).坝体沉降总体变化平稳，无明显趋势性变化.

(2)在正常及非常运用条件下，坝体上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数均满足规范要求.

(3)输、泄水建筑物在各种工况下的实际过流能力和消能防冲满足要求，溢洪道闸室段稳定及应力满足规范要求;泄洪洞和发电洞隧洞衬砌厚度满足规范要求.

(4)大坝上游混凝土护坡实际厚度稍小于规范要求.考虑上游坡现状采用了混凝土栅格加固，认为上游混凝土护坡基本符合规范要求.

对照《水库大坝安全评价导则》(SL258－2000)，长潭水库大坝及输水建筑物的结构安全性完全达到设计标准.

4.2 建 议

(1)渗流自动化监测普遍存在停测、缺测、测值不稳、测值跳跃等不正常现象，影响监测的准确性和全面性，建议补充测点，并适时进行自动化升级改造，以提高渗流监测的稳定性和可靠性.

(2)对泄洪洞洞身存在的两处明显漏水现象加强观测分析，发现异常及时处理.

(3)水库未经历长期高水位考验，长历时高水位运行时应加强监测和巡视检查，发现问题及时处理.

［1］ 邹 祺，邱明月，李福金.大坝安全评价中渗流安全评价的探讨［J］.黑龙江水利科技，2008(2):50 －51.

［2］ 谢庆明.云南玉华水库大坝除险加固扩建设计与安全评价［J］.水利水电技术，2007(12):59 －61.

［3］ 姜 彤，杜国倩.模糊评判法在大坝安全评价中的应用［J］.人民黄河，2012(3):117－119.

［4］ 高大水，汪琦华，左宏声，等.卢村水库黏土心墙坝安全评价与加固［J］.中国水利，2011(16):41－44.