小型水库除险加固的复核计算

张与馨

摘要： 小型病险水库的除险加固整治工程有利于保障地区的经济效益和下游人民的安全。在进行出现加固整治工程设计的前期，首先应复核水库的抗洪能力和渗透稳定性，通过计算结果判断水库存在的病险问题并提出相应的整治方案，本文通过对小型病险水库除险加固工程的复核计算整理，总结了小型病险水库在整治工程中需要进行复核计算的内容，包括洪水复核、泄洪能力复核、坝顶高程复核和稳定性复核。

关键词： 水利水电工程;复核计算;除险加固;小型水库

【中图分类号】TV75【文献标识码】A【文章编号】1674-3733（2020）12-0224-02

水库是普遍用来防洪的工程措施，同时在灌溉、供水、发电等方面都发挥着重要作用。据最新资料统计，截止到2018年，全国已建成736座大型水库、3954座中型水库和94132座小型水库，总计共98822座水库。其中，至少有90%的水库均修建于20世纪70年代前，距今已运行了超过50年，大部分均为小型水库，使用至今已接近最大使用年限，亟需重新评估。并且由于当时的施工工艺、技术、管理等均比较落后，长久运行下来，这些小型水库都存在安全隐患，对周边的经济和人民的安全有很大威胁。通过对小型病险水库除险加固整治方案前期复核计算的整理，本文总结了关于小型水库除险加固的需要复核计算内容，以期为高校的课程设计、毕业设计以及除险加固设计工作提供帮助。

1前言

近年来，我国政府加大投资力度进行了大规模的病险水库出现加固工程建设，但是，到目前为止，仍有大量小型病险水库除险加固工作未完成[6]。通过实施水库的除险加固工作，一是可以提高水库的安全度、发挥防洪减灾作用：二是可以恢复水库的综合功能;三是可以改善水库的运行管理条件[5]。通过对小型水库病险情况的统计，小型水库的存在的病险主要分为以下几种：（1）大坝防洪能力不满足规范要求。（2）坝体有渗透问题。（3）上游坝坡垮塌。（4）溢洪道泄洪能力不满足要求。（5）溢洪道边墙垮塌。（6）放水涵管损坏。（7）存在白蚁问题。其中，大坝的洪水、防洪能力、泄洪能力和渗透稳定性都需要进行复核计算。

2洪水及泄洪能力复核

在水库的除险加固中，在进行泄洪能力复核之前，首先要进行的便是根据洪水标准进行洪水复核，步骤通常是：根据集雨面积进行暴雨计算，根据公式推求径流过程，推求洪水参数及洪水过程线，根据水量平衡原理进行调洪演算，最后依据调洪演算的结果便可进行洪水和泄水能力的复核计算。

调洪演算的基本方法有列表式算法、半图解法和双辅助线图解法[3]。三种方法的基本原理均是利用水量平衡方程来进行计算，其基本方程为：

0.5（QI+Qi+1）Δt-0.5（qi+qi+1）Δt=Vi+1-Vi（2.1）

式中：Q为入库流量，m3/s;q为下泄流量，m3/s;v为水库蓄水量，m3;△t为计算时段，h;i为时段编号。

其中，溢洪道下泄流量的计算公式根据大坝本身溢洪道的结构按照《溢洪道设计规范》[1]选用相应的公式进行计算。通过调洪演算，可得到不同频率下的最大水位——设计洪水位、校核洪水位，及其对应的最大下泄流量qmax。

若此时溢洪道的最大泄流量q小于qmax，则说明溢洪道泄流量达不到标准，需要采取措施进行整治以提高泄量。

3壩顶高程复核

据调查，小型水库的结构通常为碾压式土石坝结构，对于坝顶高程的校核应按照《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001》进行计算。坝顶高程H=水库在不同运用情况下的静水位Z+坝顶超高y，坝顶超高的计算可分为四种工况，正常蓄水位+正常运用条件;正常蓄水位+非常运用条件;设计洪水位+正常运用条件;校核洪水位+非常运用条件[2]。四种工况下的坝顶超高均按照公式3.1进行计算。

y=R+e+A（3.1）

式中：y为坝顶超高，m;R为波浪在坝坡上的设计爬高，m;e为最大风壅水面高度，m;A为安全加高，m。

其中，当水库坝坡坡度系数不同时，波浪平均爬高Rm有不同的经验公式，且其大小与波浪的平均高度与平均长度有关，关于波浪平均高度和平均长度的计算，可选用莆田试验站公式、鹤地水库公式和官厅水库公式，对水库大坝所处位置的地形特点选对应的公式，例如若水库处于丘陵区，则应选择鹤地水库公式来进行波浪参数的计算。波浪爬高R的设计值则应根据工程等级确定，需查表计算将平均波浪爬高进行转化。坝顶超高A的大小与水库的工程等级和运用情况有关，通过查表求得。

若水库的坝顶高程小于计算最大坝顶高程，则表明水库防洪不满足要求，必须需要采取工程措施对坝顶进行加高。

4稳定性复核

4.1渗透计算

对于以土石坝为主要存在形式的小型水库来说，由于上下游的水位差和土石坝的特点，水很容易沿着土粒空隙从上游向下游渗透，因此渗透稳定是必须要注意的问题。在对小型水库复核的过程中，有必要进行渗透计算，得到坝体和坝基渗流区的渗流因素，确定渗流量、浸润线位置、逸出点和渗透坡降，判断水库目前的是否会发生局部渗透破坏，同时可为坝坡稳定性计算提供依据。

渗透计算的方法有流网法（图解法）、水力学法、有限元法和实验测量等，流网法计算精度较高、但是计算比较复杂;水力学法计算简单，虽然不完全符合连续性方程，但精度可以满足工程要求，使用比较广泛;有限元法是将大坝划分为无数足够小的单元，通过分析每个单元的渗透，再通过单元的节点对整体进行分析，是数学中的变分原理的发展，涉及到各种偏微分方程，计算比较复杂，精度较高，目前大都是基于软件进行计算。目前市面上有很多可以计算渗透稳定的水工结构有限元分析软件，比如理正岩土软件和Autobank7.0软件。

渗透计算工况一般包括：静水位下形成稳定渗流期、发生水库水位降落时的非稳定渗流的情况。

4.2稳定性计算

土石坝很容易发生坝坡失稳的现象，为了确定土石坝是否会发生稳定性破坏，在设计初期必须进行稳定计算，目的是复核土石坝在各种工况下是否安全。由于坝体结构、筑坝材料、坝基地质条件的不同，土石坝的滑动面有直线型、折线型、圆弧形和复合型滑动面几种类型，对不同类型的滑动面，应选用不同的稳定计算方法。

土石坝稳定计算的基本原理都是极限平衡理论，根据假设的不同，可分为瑞典圆弧法、稳定安全系数法、简化毕肖普法、摩根斯顿-普莱斯法（M-R法）、折线滑动法等。对于均質土坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，通常采用圆弧法进行坝坡稳定计算，但整体圆弧法没办法求解，为了简化计算，常采用条分法。条分法根据假设条件的不同，又分为两种，分别是不考虑条件作用力的瑞典圆弧法和考虑条间力作用的毕肖普法，在计算时若只考虑条块间的水平作用力，则称为简化毕肖普法[4]。条分法的计算原理是，假定一个圆弧面为滑动面，将滑动面平均分条，对每一个条进行受力分析，计算抗滑力矩和滑动力矩，然后进行整体的求和，得到抗滑力矩与滑动力矩的比值，作为其安全系数。通过假定不同的滑动面可以得到不同的安全系数，取其中的最小值为计算安全系数，若这个值小于规范，则说明坝坡失稳，若这个值大于规范，则坝坡稳定。稳定计算的工况通常包括：施工期的上下游坝坡稳定、稳定渗流期的上下游坝坡稳定、水库水位降落期的上游坝坡稳定[2]。

5总结

小型病险水库除险加固工程的复核计算部分一般包括洪水复核、泄洪能力复核、坝顶高程复核和稳定性复核，通过暴雨洪水计算、调洪演算可得到设计洪水位、校核洪水位以及对应的最大下泄流量;通过溢洪道与下泄流量公式结果对比便可复核水库的泄流能力是否满足泄洪要求;通过坝顶高程的计算可以复核水库坝高是否满足防洪要求;通过渗透坡降的计算复核是否会发生渗透破坏;通过安全系数的计算复核是否满足稳定性要求。复核结果可为后续除险加固方案的设计提供有效的数据支持，能够有针对性的提出整治方案，本文总结了关于复核计算的内容，希望对高校的课程设计、毕业设计以及除险加固工作提供帮助。

参考文献

[1]王亮.沙湖岭水库除险加固的初步设计[D].吉林大学，2015.

[2]臧少慧，张明占，刘仲秋，等.我国水库除险加固研究进展[J].山东农业大学学报（自然科学版），2019，50（06）：1097-1103.

[3]SL253—2000 溢洪道设计规范[S].中国水利水电出版社，2000.

[4]SL274-2001 碾压式土石坝设计规范[S].中国水利水电出版社，2002.

[5]王启田崔振才杜守建.工程水文及水资源学习指导与技能训练[M].中国水利水电出版社，2007.

[6]颜宏亮，闫滨.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[7]王亮.沙湖岭水库除险加固的初步设计[D].吉林大学，2015.

[8]臧少慧，张明占，刘仲秋，等.我国水库除险加固研究进展[J].山东农业大学学报（自然科学版），2019，50（06）：1097-1103.