喇嘛畔水库大坝稳定分析及加固设计

2016-10-21鲁彦佑

陕西水利 2016年5期

关键词：坡坡蓄水位喇嘛

鲁彦佑

（横山县水库移民管理办公室陕西横山719100）

喇嘛畔水库大坝稳定分析及加固设计

鲁彦佑

（横山县水库移民管理办公室陕西横山719100）

本文通过分析喇嘛畔水库基本概况和大坝病险问题，对大坝除险加固的方法进行了探讨，提出采用简化毕肖普法对加固后大坝的稳定性进行论证，以确保除险加固后的水库大坝安全稳定。

水库大坝；稳定分析；方案设计

1　概况

喇嘛畔水库位于横山县雷龙湾乡永忠村，所在河流无定河支流黑河。喇嘛畔水库总库容55万m3。该水库于1971年3月动工修建，于1972年8月竣工，是一座具有农业灌溉、防洪、养殖等综合效益的小（二）型水库。喇嘛畔水库控制流域面积10km2，主沟道长4.2km，河道平均比降4‰。水库流域属风沙区与黄土丘陵沟壑区过渡地带，风沙区波状沙丘起伏不平，相对高差不大；过渡区相对沟谷发育，地形破碎、植被差。该水利枢纽区地震基本烈度为Ⅵ度。

水库由当时的雷龙湾乡永忠村组织群众兴建，是一座典型的三无水库。1972年8月竣工后，也没有留下任何竣工文件和图纸。1982年陕西省水利厅组织“三查三定”，核定该水库属小（二）型Ⅴ等工程。防洪标准按20年一遇洪水设计和200年一遇洪水校核。

枢纽工程主要由大坝、放水建筑物组成。大坝为水力充填均质沙土坝，最大坝高7.84m，坝顶长258m，坝顶宽12.46m，大坝迎水坡坡比为1∶2.1，背水坡坡比为1∶1.8。喇嘛畔水库投入运行39年来，发挥了较好的社会效益和经济效益。

2　水库大坝存在的主要问题

喇嘛畔水库属典型的三无水库，截止目前库区共拦截泥沙6万m3，随着运行时间的延长，库水位相应抬高，大坝出现了不少隐患，严重影响着大坝的安全。根据《大坝安全鉴定报告书》，设计人员对水库大坝进行了较全面、系统的现场查勘，确认喇嘛畔水库大坝目前存在以下防洪安全及工程质量问题：

（1）大坝上游坡未砌护，受库水风浪淘刷严重；大坝迎水坡坡面不平整，没有防护措施，受库水风浪淘刷已形成0.5m～1m高的陡坎；

（2）大坝下游坝坡无排水设施冲沟现象严重；背水坡坡面高低不平、杂草丛生，无排水沟，有冲沟及动物洞穴；

（3）现有放水设施坍塌毁坏严重，不能正常运行；

（4）无管理设施，无防汛、抢险设备；进坝防汛路坑凹不平，难以满足防汛抢险的要求。

按《水库大坝安全鉴定办法》规定，该水库应立即进行除险加固，使水库尽快达到核定的设计标准，并能按设计要求正常运行。

3　大坝加固设计

3.1坝顶高程复核

喇嘛畔水库设计洪水位为988.934m，校核洪水位为992.185m，依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）规定，坝顶高程等于水库静水位与超高之和。应分别按以下情况计算，取其最大值：

设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高；校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高；正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高。坝顶超高及设计坝顶高程计算成果见表3-1。

表3-1　坝顶高程复核计算成果表

表3-2　大坝稳定计算结果表

图3-1　原状正常蓄水位上游坡稳定计算简图

图3-2　原状正常蓄水位下游坡稳定计算简图

从表3-1中可以看出：大坝在遭遇20年一遇设计洪水时，设计洪水位988.934m，计算坝顶高程为990.51m，小于现状坝顶高程992.34m；遭遇200年一遇校核洪水时，校核洪水位992.185m，计算坝顶高程为993.34m，高于现状坝顶高程（992.34m）1.0m。由此可知，现状坝顶高程不满足200年一遇洪水防洪要求。

3.2稳定计算

通过稳定计算，验算分析坝体上下游边坡在各种工况下的稳定性，进而为判断坝坡是否稳定提供主要依据。依据《碾压式土石坝设计规范》规定，对水库大坝进行稳定分析计算。在各种计算工况下，大坝稳定计算最小安全系数结果见表3-2。稳定计算结果见图3-1、3-2。

根据稳定计算结果看，原坝正常高水位上游坝坡计算的安全系数大于规范规定的安全系数最小值，故原坝正常高水位上游坝坡满足坝坡稳定的要求；原坝正常高水位下游坝坡计算的安全系数小于规范规定的安全系数最小值，故原坝正常高水位下游坝坡不满足坝坡稳定的要求。

3.3大坝加固方案

根据大坝防洪标准及坝顶高程复核结果，拟加高大坝1.0m，即从现状高程992.34m加高到校核条件下计算坝顶高程993.34m。

3.3.1大坝坝顶及坝坡设计

根据坝址处两岸的地形条件，结合大坝工程现状，拟将坝轴线下移0.54m，坝顶高程达到993.34m。现状下游坝坡不满足稳定要求，设计对上下游坡培厚和整修。结合坝坡整修，本次除险加固设计考虑到节省投资、并参考相似水库，设计坝顶宽度为6.0m，坝顶长度331m，上游坝坡坡比结合砌护坡取1∶2.5。下游培厚坡比为1:2.0。坝顶路面采用20cm厚砂砾石处理，上、下游侧设置厚度为0.15m的砼路缘石。

3.3.2迎水坡改造处理

原大坝上游坝坡未砌护，受库水风浪淘刷严重，随着泥沙淤积和库水位的抬高，坝坡淘刷破坏有进一步加剧的可能，对大坝安全运行不利；大坝上下游坝坡无排水设施冲沟现象严重；为了充分发挥水库的综合效益，保证水库安全可靠的运行，本次设计对水库上游进行护坡处理。上游坝坡采用10cm厚的预制C15砼六棱块砌护，下部铺设20cm厚的砂砾料垫层。底高程至设计正常蓄水位988.00m以下0.8m，在正常蓄水位988.00m处设2m宽的戗台，戗台以下进行水中填土，形成1∶8.0的坡比。3.3.3背水坡加固处理及增设排水系统

原大坝下游坡坡面破损不整、且无排水系统。本次设计对下游坡进行植物护坡，种植耐干旱、固沙效果好，适宜于陕北地区生长的柠条、沙棘、红柳、沙打旺等低矮灌木丛。下游坝坡、两侧岸坡及公路边设置纵横向排水沟，采用M7.5浆砌石结构，下游坡角设反滤护坡。

4　大坝加固后稳定计算分析

4.1大坝的稳定性分析

水库原大坝上游坝坡满足坝坡稳定的要求，下游坝坡计算的安全系数小于规范规定的安全系数最小值，故下游坝坡不满足坝坡稳定的要求，加固改造后上游坝坡坡比整修为1∶2.5，下游坝坡坡比为1∶2.0，同时对上下游进行了护坡处理，整修后需对上下游坝坡重新进行坝坡稳定复核。

依据《碾压式土石坝设计规范》规定，采用简化毕肖普法，根据渗流在背水坡坡脚出现的时间T和水库本身洪水历时，判断库水位在设计洪水位和校核洪水位时是否存在稳定渗流情况，计算公式如下：

表4-1　坝坡稳定计算岩土物理力学指标

表4-2　加固后坝坡稳定计算结果表

图4-1　加固后正常蓄水位坝坡稳定计算简图

式中：k——土体渗透系数，采用大值平均值或试验数据中的较大值（m/s）；

n0——土的有效空隙率；

n——空隙率；

Sw%——饱和度。

结合水库实际运行情况稳定分析计算工况如下：加固后坝体设计正常蓄水位时上游坝坡稳定，加固后坝体设计正常蓄水位时下游坝坡稳定。依据地勘资料提供的坝体土物理力学性质及渗透性指标建议值选用，确定本次稳定分析的具体参数见表4-1。

大坝稳定分析计算按《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）要求，采用简化毕肖普法，采用“北京理正设计公司边坡稳定分析软件”进行计算。土体的抗剪强度采用有效应力法指标。计算断面与渗流计算断面一致，采用大坝最大断面。在各种计算工况下，大坝稳定计算最小安全系数结果见表4-2。

稳定计算结果见图4-1。

根据稳定计算结果看，加固后大坝正常蓄水位上下游坡计算的安全系数均大于规范规定的安全系数最小值，故加固后大坝正常蓄水位上下游坝坡满足坝坡稳定的要求。

4.2大坝安全监测设计

喇嘛畔水库自建成至今已运行39年，始终没有进行过任何系统的工程观测，库区没有雨量站、水文站，水库亦未设进出库流量观测设施。其现状既无法满足大坝自身安全监测的实际需要，也不符合《土石坝安全监测技术规范》（SL60-94）的要求。

为确保大坝安全运行，建立一套比较完善的大坝安全监测系统是十分必要的。根据喇嘛畔水库除险加固工程的实际情况，结合大坝特点只进行水文、气象观测设计：水文、气象观测项目包括上游水位和降雨量观测。设计在在上游库区适当位置布置水位观测点1个；在合适部位布置1个降雨量观测点。水位采用水尺观测，用雨量筒观测降雨量。