水库运营风险评价与治理<br/>——以甘肃省某水库为例

水库运营风险评价与治理
——以甘肃省某水库为例

2015-12-15刘利星

水利规划与设计 2015年5期

关键词：泄洪洞安全系数坝体

鲍春，刘利星

（兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000）

水库运营风险评价与治理
——以甘肃省某水库为例

鲍春，刘利星

（兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000）

水库会在正常运营过程中逐渐显露出一些病险问题。本文以某水库为例进行研究，对水库进行风险评价后，发现水库建成后运行的30年中主要产生两方面的问题：左坝肩绕坝渗流问题和溢洪建筑物改建设计缺陷。经调研和研究提出以下治理方案：采用扩大帷幕灌浆范围，在渗流区增加单排帷幕灌浆来解决左坝肩绕坝渗漏问题；对洞身围岩进行固结灌浆来解决泄洪洞洞身结构强度不足等问题。通过对水库的风险评价及提出合理的治理方案为类似工程提供借鉴作用。

水库；风险评价；渗流；坝体稳定；优化工程

0 引言

水库建设初期由于技术水平、施工工艺等限制，导致水库在后期运营过程中出现许多问题，主要包括坝体渗漏、坝坡滑裂面稳定性安全以及后期溢洪建筑物的结构减弱等问题［1-2］，国内外学者针对这些问题的进行了大量综合评估方面的研究。谭晓慧等［3］采用定值分析法重点研究滑面几何参数对边坡稳定性的影响，为水库坝坡的安全预测提供了主要依据；钮新强等［4］提出了以隧洞粘贴高强碳纤维内衬布的方式对混凝土衬砌进行强度和防渗加固；赵廷华等［5］采用混凝土防渗墙及左右岸帷幕灌浆方式对窄口水库坝体进行截渗加固，在水库后期运行表明加固效果显著；在国外，针对水库渗漏通常采用同位素示踪探查的方式，例如波兰马考夫斯基［6］用82B r作为主要注射液，用131I和51C r作为附加注射液，大大减轻了渗流分析和加固工程的难度。

某水库经过多年的运行，因库水位的周期性升降，使得砂质泥岩、泥质粉岩发生少量的崩解或泥化，导致渗漏通道逐渐堵塞。由于左坝肩岩体断裂发育、表层岩体倾倒弯折导致部分裂隙贯通性增强，并出现溢洪建筑物设计欠科学等问题；通过对水库运营和管理情况的现场调查，采用定性半定量的方法对水库运营进行风险评估，并且提出合理的治理方案。

1 水库区域基本概况

库区属典型的峡谷型水库，河谷呈不对称的“U”型。水库坝址加高方案通过优化比选最终决定选择下坝址峡谷型水库方案，采用混凝土面板砂砾石坝方案，工程区及周围底层主要有二叠系、三叠系和白垩系沉积岩，以及第四系松散堆积物。下坝址区河漫滩不发育，大部分被坡积、滑坡堆积及洪积物所覆盖，地表植被发育。研究区属侵蚀、剥蚀褶皱断块石质山峡谷区，东西走向高差300～600m。在近库岸处有两个小坍塌体，在沟道及山坡坡脚，分布有坡积、崩积块碎石。水库右岸坡度较缓，坡度20～35°，局部45～50°。

2 水库风险评价

2.1 坝体渗流评价及计算

目前对于水库枢纽渗流问题主要采用渗流有限元法［7-9］进行分析，首先确定坝体断面单位宽度及浸润线结果，选取典型坝体断面计算：

其中：q1和q2分别为坝基、下游单宽渗流量，K坝体渗透系数，m为上下游边坡系数，H1上游水深。

坝体浸润线方程：

绘制流网图，计算渗透坡降：

式中：J为渗透坡降；Δ H为上下游水头差；L为渗流途径长度。

左坝肩岩体反倾向层状且软硬相间，整体性较好，但存在五组裂隙：L1N W335°SW∠78°，为张扭性；L2N E 60°SE 68°～75°；L3N E 30°SE∠72°，为张性粗糙面；L4N W340～355°SE∠86°；L5N E 70°～SE 115°SE～SW∠70°～83°，为张性粗糙卸荷裂隙。在五组裂隙和F8～10三条断层的切割作用下，二者在斜坡表层和深层交汇，其中L1～4与三条断层的绞线与坡向一致，坡脚分别为30°、52°、17°，需进行稳定性分析：

将滑面的内聚力假定为C1=C2=0

其中：Ø1=Ø2=62.6°，β1为一组结构面的倾角，β2为另一组结构面的倾角，β为两组结构面结合交线倾角。

采用式（5）和（6），经计算三组结构面稳定系数分别为1.72、1.35、2.06，处于稳定状态。但左坝肩表层间歇分布有松散堆积物，下伏二叠系上统石千峰群（P 2s h）砂岩、砂质裂隙发育，由于结构面相互切割，原坝轴线0+160～0+250m段，灌浆质量较差难以堵塞渗漏通道；左坝肩陡坡达40～50°，难以架设机器对坝基进行帷幕灌浆防渗处理。泄洪洞出口与坝后有4处渗水点，需要进行坡降计算（渗水点位置见图1）。

坝体渗流分析及计算按照《碾压式土石坝设计规范》（以下简称规范）（SL 274-2001）进行。计算清基不彻底的0+160m处、断面最大处的0+198m处及标准心墙坝断面的0+250m处，以图2为例。由式（1）～（3），首先计算渗流计算浸润线结果，求得坝体壤土心墙段最大渗透比降不符合比降取值范围为3～5，需要进行坝体心墙稳定性加固［10］。

图1 库区渗水点示意图

图2 0+250m断面渗流计算简图

2.2 坝体稳定性分析及计算

对坝体稳定性的分析计算一般是将其当作边坡来处理，沿用传统的土力学的传统理论进行分析。坝体的稳定性分析方法主要有极限平衡法和数值法，数值法有离散元法、边界元法、有限元法等；极限平衡法有瑞典圆弧法、毕肖普法、陆军工程师团法、萨尔玛法和摩根斯坦—普莱斯法等［11，12］。因坝肩稳定分析的对象是复杂的天然岩体，应力应变呈显著的非线性，故对坝体抗滑稳定性采用非线性有限元分析［12］法，且不宜采用直接求解式（7）求解。

式中：S为抗滑总剪力；R为滑动面上的抗剪强度；Ci、Ai、fi分别为滑动面上的凝聚力、滑动面积和摩擦系数；Ni、Ti分别为滑动面上的法向力和剪力。

图3 超载的两种方法

常用的安全系数求解方法有超载法、强度储备安全系数法和点安全系数法等，该水库稳定性［12］采用超载法进行评价，同时结合其在A N SY S［13］中的应用，得出抗滑稳定性的具体计算方法。超载法是假定坝基和坝肩的岩石力学参数不变的情况下，认为的将何在按照比例增加，直到滑移失稳，超载法所确定的超载能力主要是通过破坏时相应的外荷载Pm与设计荷载Pn的比值来衡量，即用超载安全系数Ko来评价坝体的稳定性系数。

三角荷载的表达式为：

其中：rm、rn分别为滑裂失稳破坏时与设计时的外荷载容重。

超载安全系数包括初始安全系数和极限安全系数，用K1，K2表示，即

式中Fa、Fr、Fo分别表示初始屈服荷载、极限荷载和正常荷载。当坝体和坝肩变形进入非线性状态时，视作坝体发生失稳破坏。

因最危险滑裂面位于压重平台较小范围内的上游平台坡脚处，不能真实反应坝体稳定性，需在0 +160m断面上游选取三条代表性的滑裂面（见图4）。滑裂面1（危险滑动面）；滑裂面2为坡积土软弱夹层；滑裂面3为不受压重平台影响的上游典型滑面。

按超载法计算表明在没有假定上游压重平台稳定的前提下，上游坝坡沿软弱夹层滑动安全系数不满足规范要求，需要对坝进行加固。

图4 新选三条滑裂面示意图

2.3 泄洪洞结构评估

杆系有限元法［14-15］是分析计算岩体隧洞、基坑结构强度等常用方法，采用结构力学中位移法的原理及矩阵代数运算，在岩体截面节点变化处，先将分析对象划分节点，再进行复核验算。采用文克尔假定［15］，即弹性抗力与水平位移之间成一定的比例关系：P=K δ，刚度矩阵［K］的推导见文献［16］。经计算表明水位抬高后原各断面强度［17］均不满足要求，需对泄洪洞进行加固处理。

3 治理方案

3.1 坝体渗流治理

由于大坝渗漏严重，导致后坝坡逸出点较高，为有效降低浸润线，提高防渗治理效果，拟在坝轴线桩号0+150～0+243.2m坝段通过建单排高压定喷防渗墙进行加固。防渗墙厚度为0.3m，孔距2m，孔深58～70m，不仅可以更大力度消除病险水库的渗漏问题，而且还能防止渗漏水的冲刷力度破坏水库的坝体，此外对混凝土防渗墙与壤土截水槽之间的砂砾石进行帷幕灌浆。为彻底解决左坝肩绕坝渗流问题，在0+010～0-087m坝段也采取了治理防护措施，增加单排帷幕灌浆。在施工中要按照施工要求精确的配置灌浆，对不断循环使用的灌浆应该进行多次的测量，防止其因放置时间出现的变化，影响病险水库加固的质量。

3.2 坝坡稳定性治理

将坝顶10m范围内的砂砾石坝壳及心墙全部挖除，坝顶高程降至1516.0m，最大可能降低坝体内部浸润线。另在桩号0+130～0+230m的范围内上游坝坡压重平台处现浇C 25钢筋混凝土抗滑桩。沿压重平台坡脚线布置31根直径2m的抗滑桩，中心距离5m，顶部与地面线齐平，底部深入基岩3m，桩深35～45m。

3.3 泄洪洞结构加固

拟将泄洪洞进口和出口进行改建，将泄洪洞全部拆除，在原址重建岸塔式结构检修闸室，闸室长9.0m，宽8.0m，总高度67m，高出地面约15m。洞身段采用固结灌浆及内衬钢板进行加固，灌浆孔梅花形布置，孔距2.5m，孔深5m，内衬钢板厚度8m m。

3.4 水库优化工程评定

水库经过除险加固工程后，对坝坡上下游进行稳定性验算，在稳定渗流期、水位骤降及地震工况下，采用瑞典圆弧法［18］得出稳定性系数分布为1.35、1.23和1.19，毕肖普法［17］分别为1.31、1.21和1.17，均满足规范允许值。同时大坝经过防渗处理后，其抗滑稳定安全系数也得到了很大的提高，对大坝的除险加固起到了重要作用，有效消除了大坝的安全隐患。

4 结论

通过对水库运营中的问题进行风险评估，采用渗流有限元法、超载安全系数法和杆系有限元法分别对坝体渗流，坝前边坡稳定性和泄洪洞结构或溢洪道结构进行风险评价是适用的。大坝安全系数满足规范允许值，并通过坝体实施混凝土帷幕灌浆以及在坝坡处增设钢筋混凝土抗滑桩方案对三者进行治理也是切实可行的，为其它类似工程提供借鉴作用。

［1］严祖文，魏迎齐，张国栋.病险水库除险加固现状分析及对策［J］.水利水电技术，2010，41（10）：1-3.

［2］钮新强.水库病害特点及除险加固技术［J］.岩土工程学报，2010，32（01）：1-2.

［3］谭晓慧，余兵，王茂松，等.水库边坡稳定的可靠度分析［J］.岩石力学，2008，29（12）：1-4.

［4］钮新强.水库灾害特点及除险加固技术［J］.岩土工程学报，2010，32（01）：2-5.

［5］赵廷华.窄口水库大坝坝体防渗加固技术研究［J］.人民黄河，2010，32（06）：1-3.

［6］刘光尧.水库渗漏示踪的国外探查情况［J］.勘察科学技术. 1996，21（04）：1-5.

［7］彭成山，张镜剑，孙明权，等.雨城电站左坝肩三维渗流场有限元分析研究［J］.华北水利水电学院学报，1998，19（01）：1-4.

［8］河吉，徐青，陈胜宏.裂隙岩体渗透特性反演分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（01）：2-6.

［9］胡强，佘成学.仙岭水库土坝渗流稳定分析及除险加固措施［J］.岩石力学，2004，25（03）：1-3.

［10］程心恕，李梅，方建瑞.拱坝坝肩稳定可靠度分析方法探讨［J］.福州大学学报（自然科学版），2004，32（06）.

［11］于玉贞，林鸿州，李光信.边坡滑动预测的有限元分析［J］.岩土工程学报，2007，29（08）：1-3.

［12］穆全平.混凝土拱坝坝肩稳定三维有限元分析［D］.西北农林科技大学，2010.