华山水库除险加固大坝计算分析

戴成宗

(辽宁省喀左县凌河保护区管理局，辽宁 喀左122300)

1 水库概况

华山水库始建于1971年，1973年竣工，初设标准为50 a，校核标准为100 a，总库容118.8 万m3，属小(Ⅰ)型水库。

华山水库原设计坝型为干插砌石坝，由农建民兵团施建，因不是正规的施工队伍施工，施工质量得不到认真控制，干插砌石坝实际修成了碎石、砂壳混合坝。据调查，当时工程建设是边设计、边施工，连设计方案对比的时间都不给，在实践中去完善设计，而不去用设计指导施工，技术人员的主要工作是高程及平面控制测量，材料质量、填筑质量由施工队伍中抽调上来的施工员去具体指导监督［1］。因此，各方面质量存在着严重缺陷，终于造成了险库一座，以至于至今都不能正常蓄水发挥效益。

2007年喀左县水利局对华山水库做了安全分析评价报告，确认该水库为病险库。确认后的坝型为黏土心墙砂壳坝，坝顶高程522.7 m，防浪墙顶高程523.9 m，心墙顶部高程521.5 m，最大坝长150 m，坝底宽92 m。溢洪道为b 型驼峰堰，堰宽24.4 m，堰顶高程519.6 m。输水洞建在大坝左端，为0.6 m×0.7 m，钢筋混凝土方涵，最大输水量0.4 m3/s，进口底部高程508 m，不参与泄洪。华山水库初建时洪水设计标准为50 a一遇，校核洪水标准为100 a，2002年除险加固设计时将其校核标准提高到500 a 一遇。提高标准后的水库死库容为5.14 万m3(淤积3.5 万m3)，相应水位508.00 m;正常蓄水位519.6 m，相应库容81.6 万m3;校核洪水位522.41 m，相应库容114.1 万m3。

2 水库除险加固的必要性

华山水库其主要功能为防洪与农业灌溉，兼顾养鱼及旅游，水库原设计灌溉面积186.67 hm2，水库建成后，配套了左、右两条灌渠，灌溉面积一度达到了186.67 hm2，水利条件的改善，使华山水库下游灌区的作物结构产生了新的变化，为农业的发展带来了新的契机。

辽西地区处于干旱半干旱地区，水资源十分宝贵。水库工程对于喀左县这个以农业经济为主的少数民族地区来说有着特别重要的意义。鉴于水库的功能和存在的问题，对水库进行除险加固是十分必要的。随着国民经济的快速发展，人民生活水平不断提高，人民群众迫切希望能得到一个安全舒适的环境，因此对水库的综合利用要求也越来越高，特别是下游的人民群众，对华山水库工程的安全更为关注。县委、县政府及各级有关部门也极为重视和关心，主要领导及专家曾多次亲临工程现场察看，并进行过3 次规模不等的维修加固工作。对华山水库工程进行除险加固，不仅是对华山水库本身产生经济效益，而且也有社会效益，同时解除了洪水对土地和交通设施的威胁，人民群众更能安居乐业，对社会稳定大有好处。为此，应尽快进行水库除险加固工程的实施，以保证工程安全运行，充分利用资源，发挥工程的经济效益和社会效益［2］。

3 水库的任务和规模

华山水库位于喀左县卧虎沟乡水泉沟村境内，四家子河上游。该流域属大凌河水系一级支流，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养鱼、旅游为一体的小(Ⅰ)型水库.

华山水库初建设计标准为50 a一遇，校核标准为100 a。2002年除险加固设计时将其校核标准提高到500 a一遇。本次除险加固设计，依据国家《防洪标准》(GB50201—94)的规定，华山水库为小(Ⅰ)型水库，主要建筑物为4 级，故采用设计标准为30 a，校核标准为300 a。

4 大坝坝体存在的问题

大坝坝体存在的问题主要有以下6个方面:

由于水库建设时间较长，又缺乏完整的设计资料，坝体结构方案几经变化，工程技术人员多次变更，加之施工方法、施工设备落后，无必要的检测设备，施工质量存在着严重不足。

1)防浪墙顶部沿坝轴线方向开裂，最大裂口宽1cm左右。大坝自左至右0 +130 处横向断裂一处。

2)靠近溢洪道一侧的上坝台阶已发生沉陷，护坡石亦有滑落现象。

3)实测上游坝坡为1∶1.25，下游坝坡为1∶1.5。

4)根据室内渗透试验成果，心墙土渗透系数一般为2.2 ×10－5～2.6 ×10－5cm/s，平均值为2.33 ×10－5cm/s，属中等透水—弱透水土体，其防渗性能不能满足q ＜1 ×10－5cm/s 规范强制性条文的要求。

5)没有观测设施。

6)经稳定计算，土坝上游坡稳定计算的边坡系数大于允许值，不符合规范要求，需进行加固处理。

4.1 坝体加固设计

4.1.1 坝顶结构

华山水库大坝现状坝顶宽4 m，根据小(Ⅰ)型病险水库初步设计与设计审查指导原则，坝顶宽维持现状，宽度仍为4 m，防浪墙宽为0.8 m，地面以上高1.2 m，M7.5 砂浆砌块石砌筑，坝顶为100 mm厚碎石路面，下游坝肩处设混凝土路肩石，每15 m设排水孔一个，大坝上下游均为散坡排水。

4.1.2 坝坡处理

华山水库已运行35 a，由于坝坡陡峻、风浪拍击和冻融因素影响，大坝上游曾出现了局部沉陷和滑坡现象，此次除险加固设计，对上游水下部分进行抛石加宽，或选择库水干涸期。直接进行填筑，比降为1∶3.0。上游水上部分比降为1∶2.5，干砌石护坡。下游坝坡比降为1∶2.0，509.5 m高程以上为碎石护坡，以下为砌石排水体。

4.2 坝顶高程复核

4.2.1 坝顶超高

坝顶超高计算公式为:

式中:y 为坝顶超高，m;R 为最大波浪在坝坡上的爬高，m;E 为最大风雍水面高度，m;A 为安全加高，m;根据规范要求，正常运用情况A =0.5 m，非常运用情况A =0.3 m，地震涌浪高度取1.2 m。

4.2.2 计算条件

4.2.2.1 计算风速的确定

根据喀左县气象站1959—2007年48 a的风速观测统计资料，算得平均最大风速为12.95 m/s，风速感应器高度为10.2 m，高度修正系数为1.0，故确定距地面10 m最大风速为12.95 m/s，设计风速W设为年平均最大风速的1.5 倍，即19.43 m/s，校核情况下W校仍为12.95 m/s。

4.2.2.2 风区长度

在1∶200库区地形图上按垂直坝轴线量得正常运用情况下的风区长度D正为630 m，非常运用条件下D非=890 m。

4.2.2.3 水域的平均水深

根据计算的特征水位及库内淤积高程算得正常高水位时的水域平均水Hm正为10.0 m，校核洪水位时的平均水深Hm校为12.17 m。

4.2.3 最大风雍水面高度计算最大风雍水面高度计算公式为:

则:e =0.004m

4.2.4 计算风浪爬高Rm 及Rp

风浪爬高的计算公式为:

1)正常高水位时:

2)校核洪水位时:

4.2.4.1 正常运用情况(采用莆田公式)

平均波高的计算公式为:

式中:0.025hm=0.006，hm=0.24

平均波周期Tm 的计算公式为:

平均波长Lm 的计算公式为:

平均波浪爬高Rm 的计算公式为:

频率为1%时的波浪爬高Rp 的计算公式为:

则:Rp =0.86 m

4.2.4.2 非常运用情况(采用莆田公式)

平均波高计算公式为:

式中:W =12.95 m/s;D =890;0.025hm= 0.01，hm=0.4 m

平均波周期Tm 的计算公式为:

平均波长Lm 的计算公式为:

平均波浪爬高Rm 的计算公式为:

则:Rp =0.89 m

4.3 坝顶高程和防浪墙顶高程

各种情况下的坝顶高程和防浪墙顶高程见表1。

按此次300 a校核标准，求得华山水库防浪墙顶高程为523.61 m，比原防浪墙顶高程523.9 m 低0.29 m，原高程满足要求。故此确定此次设计防浪墙顶高程仍为523.90 m，坝顶高程为522.70 m。

表1 各种情况下的坝顶高程和防浪墙顶高程

5 设计断面稳定计算

5.1 大坝稳定校核

上游坡坡比自上而下为1∶1.25、1∶1.5，下游坡坡比自上而下为1∶1.5、1∶1.5。

坝顶宽4.0 m，坝顶高程522.7 m，坝脚高程501.7 m。

5.1.1 计算参数的选取

大坝土料计算指标见表2。

表2 大坝土料计算指标

5.1.2 浸润线计算

采用北京理正软件研究院编制的《理正渗流分析计算软件》进行计算，采用渗流问题有限元法进行计算。渗流分析计算成果见表3。

表3 渗流分析计算成果表

5.1.3 稳定计算

采用北京理正软件设计研究院编制的《理正边坡稳定分析软件》计算坝坡抗滑稳定安全系数。稳定计算成果见表4。

计算项目:设计水位

经过计算，土坝上游坡稳定计算的边坡系数大于允许值，不符合规范要求，需进行加固处理。

5.1.4 稳定计算

计算项目:正常高水位(前坡)+地震

大坝稳定计算成果见表5。

表4 稳定计算成果表

表5 大坝稳定计算成果表

从表5 可看出，设计断面边坡稳定系数在任何工况下均大于规范允许的安全系数，所以土坝的设计边坡是稳定的。

［1］杨育才. 大北沟水库除险加固工程效益浅析［J］. 陕西水利，2009(01):82－83.

［2］潘世勇. 论水库大坝除险加固设计［J］. 黑龙江水利科技，2014，42(01):120－123.