湖南怀化晒口水库安全评价分析

张丛彭， 杨 旭, 雷 鸣， 王 涛*

(1.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室， 武汉430072;2.湖南省怀化市水利电力勘测设计研究院， 湖南 怀化 418000)

我国已建水库数量居世界首位，这些水库大坝在防洪、灌溉、供水等方面发挥着重要的作用[1].但有些水库兴建时技术条件有限，社会经济条件也有限，后期运行中也缺乏科学维护，因此，这些水库大坝存在质量问题和安全隐患，阻碍了中国经济和社会的发展[2-3].

为保证水库大坝安全，我国实行了定期开展安全鉴定的制度.晒口水库大坝此前最后一次安全鉴定的时间在2010年，距今已过10年，并且在这期间内大坝进行了除险加固.根据相关规定，大坝每次进行安全鉴定的时间间隔为6～10年，针对此前发现的关键问题展开专项复核分析[4-5]，因此按照《水库大坝安全鉴定办法》(水建管【2003】271号)的要求，参考国家颁布的相关现行规范，并依据水利行业的最新标准《水库大坝安全评价导则》(SL 258-2017)(以下简称《导则》)中的具体内容，武汉大学对除险加固后的湖南省怀化市通道县晒口水库进行了安全评价.本文主要对晒口水库主坝、副坝的渗流安全和结构安全及相关鉴定部分进行了总结分析，提炼出的规律和采用的方法可以为水库管理单位、设计院和科研单位等提供参考.

1 工程概况

1.1 水库简介

晒口水库水电站位于渠水一级支流四乡河下游，电站的装机容量为15 MW.水库以防洪功能为主，兼有引水发电(年发电量为3 055万kW·h)、水产养殖、农林灌溉等综合效益，是一座大(2)型水库.水库控制集雨面积为607 km2，河流全长为70 km，平均坡降为2.94%.水电站保证出力为2 070 kW.根据湘水电小字【1991】第71号文的相关规定，晒口水库建筑物级别降低一级，主要建筑物等级为3级，次要建筑物等级为4级.

枢纽工程主要由主坝、副坝、电站厂房等永久性建筑物组成.主坝为49.0 m高的浆砌块石重力坝，坝顶位于365.0 m高度处，大坝消能防冲采用挑流的形式进行，挑流鼻坎位于332.5 m高度处，坝顶宽度和坝底宽度分别为10.5 m、37.3 m，大坝上游迎水面为0.5 m厚的混凝土防渗面板，上、下游坝坡比分别为1∶0.1、1∶0.65，坝体内部设有2.0×3.0 m的标准廊道.副坝经过重建后为14.0 m高的粘土心墙土石坝，坝顶位于365.0 m高度处，顶部宽为5.0 m，上、下游坝坡比分别为1∶2.5、1∶2.0.排水棱体顶部位于355.0 m高处，顶部宽为2.0 m，棱体的上、下游坡比分别为1∶1.0、1∶1.5.粘土防渗心墙顶部位于364. 0 m高度处坝顶中线位置，顶部宽度为3.0 m，两侧坡度为1：0.3.电站厂房为坝后式厂房，厂房的平面尺寸为44.5 m×11.7 m，厂房内设有3台机组，机组的安装高程为319.5 m.电站的进水口形式为坝式进水口，进水口的底板高程为332.0 m，输水采用单机单管的方式进行.

特征水位如表1所示.

表1 特征水位表Tab.1 Characteristic water level m

1.2 除险加固

2010年进行安全评价时发现，晒口水库大坝在运行过程中出现了以下问题.

1) 主坝基础没有完成设计要求的防渗帷幕.已完成的帷幕灌浆孔段，由于岩石破碎栓塞困难，灌浆效果不佳.廊道内大部分的排水孔已经因为堵塞等原因失去作用.

2) 主坝坝体防渗面板、廊道表面风化起壳剥落较严重，裂缝较多，检测碳化深度值较大.大坝迎水面上的防渗层出现了钢筋裸露的问题.

3) 主坝下游防洪堤有一段因工程质量差已经发生垮塌.

4) 经过多年运行，在泄流洪水的高水头冲刷淘蚀作用下，坝脚破坏严重.根据现场实测，坡脚坝趾地带形成了一个宽15 m，长43 m的冲刷大坑，据历年观测数据资料冲刷坑有逐年加深加大趋势，且距溢流坝脚越来越近，将形成大坝坡脚临空，危及大坝安全.

5) 由于副坝砌筑的质量较差，出现了严重的渗漏问题.

针对水库大坝运行过程中发现的问题，晒口水库于2014年—2019年进行了除险加固，主要完成的工作有：主坝坝基和坝身分别采用了帷幕灌浆和充填灌浆的方式进行了防渗处理；主坝坝基新钻了排水孔；主坝上游防渗面板及溢流面板进行了灌浆补幕堵漏处理；主坝弧门闸墩冲蚀坑及启闭机室侧墙顶板裂缝采用化学灌浆进行了处理；主坝下游冲刷坑进行了加固处理；增设了主坝观测设施；主坝下游防洪墙进行了部分加固及部分重建；疏挖了主坝下游右侧河道；副坝拆除重建；改造防汛公路及防汛仓库，新建了主、副坝连接道路等.

2 渗流安全评价

晒口水库主坝进行了坝体加固及坝基排水孔疏通，根据《导则》相关规定，本文对除险加固后的主坝坝体渗流情况及不同工况下的坝基扬压力进行了复核计算；副坝为拆除重建工程，为复核新建副坝的实际渗流性态能否满足安全运行要求，本文运用FLAC3D软件对不同工况下的副坝进行渗流分析，计算确定坝体浸润线、渗流压力以及防渗体的渗透比降等；对其他部位的渗流安全性参照规范进行了评价.

2.1 主坝

坝体方面，经过除险加固，主坝坝体渗水量极小，不存在渗漏问题.坝基方面，取主坝最大断面作为计算断面，对三种特征水位对应工况下，不同折减条件下的主坝坝基扬压力进行复核计算，其受力计算简图如图1所示[6]，扬压力计算成果见表2.

图1 主坝受力计算简图Fig.1 Main dam stress calculation diagram

表2 主坝坝基扬压力复核表Tab.2 Table of main dam foundation uplift pressure review result kN

由表2可以看出，除险加固前主坝帷幕及排水孔已部分失效，此情况下的坝基扬压力较设计明显增大，约为原设计值的1.2～1.5倍，若不加处理，至帷幕及排水孔完全失效时，坝基扬压力则将进一步增大至设计值的1.5～2.2倍，严重影响坝体抗滑稳定.

晒口水库大坝经过除险加固后，帷幕及排水均是完好的，扬压力折减系数恢复为0.25，与设计情况相符，故主坝坝基扬压力满足要求.

2.2 副坝

2.2.1 计算断面及参数 取副坝最大断面作为计算断面，根据筑坝材料的不同将断面分为坝体填筑区、排水棱体、心墙区和基岩区，如图2所示[7].各区渗透系数值见表3.

图2 副坝渗流计算断面尺寸及分区Fig.2 The section size and zoning diagram of seepage calculation of auxiliary dam

表3 不同分区的渗透系数表Tab.3 Table permeability coefficients for different partitions

2.2.2 渗流计算结果 运用FLAC3D进行渗流分析计算.FLAC3D已在世界各国得到广泛应用，在业界久负盛名，其可以模拟岩土体中的渗流，可以为不同渗透规律的材料提供不同的渗流模型和渗透参数，还可以设置多种边界条件，计算结果准确可靠[8].

经过计算，得到不同工况下副坝孔隙水压力分布及浸润线图如图3所示.

图3 副坝孔压及浸润线图(单位：Pa)Fig.3 Diagram of pore pressure and infiltration of auxiliary dam (unit: Pa)

不同工况下，坝体内部最大渗流流速和渗透坡降计算成果如表4所示.

表4 副坝渗流计算成果表Tab.4 Auxiliary dam seepage calculation results

由图3及表4计算结果可知：副坝渗流压力变化规律正常，坝体内部最大渗透坡降出现在粘土心墙处，最大渗透坡降值均远小于粘土心墙的容许渗透坡降6～8，防渗体的防渗性能及渗透稳定性满足规范要求[9].

2.3 其他建筑物

钢筋混凝土引水发电输水管道位于大坝下游坝坡，此前根据现场检查情况，输水管道与钢管接头处存在漏水现象，除险加固后问题解决，管道无渗漏.

厂房位于大坝下游，河床左侧，基础岩石为震旦系下统长安组的灰绿色含砾变质砂岩，弱风化，强度高，无发育断层，多年来运行良好，暂未见渗漏问题.

2.4 渗流安全评价结论

晒口水库经过除险加固，主坝防渗和反滤排水设施趋于完善，通过监测资料分析和计算分析得知，主坝坝基扬压力与设计情况相符，坝体无渗漏问题，副坝渗流压力变化规律正常，副坝坝体内最大渗透坡降(粘土心墙处)小于粘土心墙的容许渗透坡降.综上所述，根据《导则》中8.6的评价标准，晒口水库大坝的渗流安全性定为A级.

由分析可知，发出存货计价方法的不同直接影响企业的当期损益，进而影响企业所得税和未分配利润等指标。现金流量表经营活动产生的现金流出中支付的各项税费包括企业按照利润总额的一定比例交纳的企业所得税，筹资活动现金流出中分配股利、利润或偿付利息支付的现金也与当期损益的净利润有关，可见发出存货计价方法的不同也会直接影响现金流。总之采用不同的计价方法，对三大财务报表都会产生不同的影响。同时也为企业纳税筹划提供了空间。

3 结构安全评价

晒口水库主坝为浆砌块石重力坝，根据《导则》相关规定，需复核大坝强度及抗滑稳定性是否满足规范要求，故本文对不同工况下的主坝坝底正应力及抗滑稳定安全系数进行了复核计算；新建副坝为粘土心墙土石坝，为复核坝坡稳定是否满足规范要求，本文利用FLAC3D计算坝坡抗滑稳定安全系数；对其他相关部位的结构安全性参照规范进行了评价.

3.1 主坝

3.1.1 计算工况及参数 主坝稳定应力计算按三种特征水位对应工况进行，作用在主坝上的荷载主要考虑坝体自重、坝基扬压力、静水压力和淤沙压力，其所需的计算参数如下：淤沙高程：326.5 m，泥沙内摩擦角：18°，泥沙浮容重：10 kN·m-3，坝体容重：22.5 kN·m-3，基岩(弱风化下部岩石)物理力学指标：f=0.85，c=500 kPa.

扬压力折减系数α分别按如下3种情况考虑：主坝帷幕及排水孔完好，α=0.25；主坝帷幕及排水孔部分失效，α=0.5；主坝帷幕及排水孔完全失效，无折减.

3.1.2 复核计算结果 坝基面抗滑稳定安全系数的计算按抗剪断强度进行，计算公式为：

其中，f为大坝砼与基岩面之间的抗剪断摩擦系数；C为大坝砼与基岩面之间的抗剪断凝聚力，单位为kPa；∑W为坝段上作用的力垂直于滑动面投影的代数和，单位为kN；∑P为坝段上作用的力沿滑动面投影的代数和，单位为kN；A为坝段的坝底面积，单位为m2.

坝基面垂直正应力

其中，σ1和σ2分别为坝段坝踵和坝趾的垂直正应力，单位为kPa；∑W为坝段上作用的荷载在坝 底面上的法向合力，单位为kN；∑M为计算坝段上作用的荷载在坝底面形心轴的合力矩，单位为kN·m；A为坝段的坝底面积，单位为m2；h为坝段的坝底宽，单位为m；b为坝段的计算宽度，单位为m.

受力计算简图见2.1中图1，复核计算结果见表5.

表5 主坝稳定应力计算成果表Tab.5 Main dam stability stress calculation results

根据大坝运行情况及现场检查，除险加固后本工程主坝帷幕及排水孔均完好，因此扬压力折减系数为0.25，由以上分析可知，在各计算工况下，经过除险加固后的主坝结构均安全.

3.2 副坝

3.2.1 计算工况及参数 为核算重建后副坝的坝坡稳定性，根据副坝运行的具体情况，本次计算分析取上游分别为无水、正常蓄水、设计洪水、校核洪水，下游均为无水四种工况.

计算所需的物理力学参数如表6所示.

表6 物理力学参数表Tab.6 Physical and mechanical parameters table

3.2.2 复核计算结果 采用FLAC3D软件，利用强度折减法[10]，结合此前渗流计算的成果，进行坝坡的稳定性分析[11].通过计算，得到不同工况下副坝的最大剪切应变率云图和坝坡抗滑稳定安全系数如表7所示.

图4 副坝最大剪切应变率云图Fig.4 The distribution of the maximum shear strain rate of auxiliary dam

表7 副坝坝坡抗滑稳定安全系数Tab.7 Safety factor of anti-slip stability of auxiliary dam slope

由以上图表可知，正常运用条件下规范允许的最小安全系数为1.20，无水时副坝坝坡抗滑稳定安全系数Fs=1.72>1.20，正常蓄水工况下Fs=1.60>1.20，设计洪水工况下Fs=1.59>1.20，均满足规范要求；非地震期非常运用条件下规范允许的最小安全系数为1.10，校核洪水工况下副坝坝坡抗滑稳定安全系数Fs=1.52>1.10，也满足规范要求.综上可知，新建副坝结构安全.

3.3 其他结构

冲刷坑最大后坡经过挑流消能计算得知为0.24，小于规范要求的最大值0.33，泄洪消能设计基本满足运用要求.增设护坦后抗冲刷稳定问题得到解决.

闸墩经过除险加固无露筋问题，闸底板裂缝修补后无漏水现象，牛腿完整，其砼强度及保护层厚度也均满足规范要求，是安全可靠的.

下游防洪墙进行了部分修补加固及垮塌部位的重建，加固重建后的防洪墙顶部高程为328.0 m，满足进场公路防洪要求.

3.4 结构安全评价结论

经过除险加固，晒口水库主坝坝体抗滑稳定及坝基应力均符合相应标准；新建副坝坝坡稳定满足规范要求；主坝下游抗冲刷问题得到解决；加固后的闸墩和牛腿结构安全可靠；加固重建后的下游防洪墙安全可靠.根据《导则》中9.8的相关规定，晒口水库大坝结构安全可靠，安全性级别定为A级.

4 大坝安全综合评价

对大坝安全进行综合评价时，大坝安全类别的评定结果分为一类坝、二类坝和三类坝.当大坝具有完善的监测设施和规范的管理制度，工程质量良好，具有满足规范要求的防洪能力，对渗流、结构安全等各项进行复核后得出的结果也均满足规范要求，大坝定期开展维修和养护工作，运行现状与设计情况相符，可评定为一类坝；当大坝不具有规范要求的防洪能力，但满足水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准，对大坝各部分进行复核后得出的结果均满足规范要求，但工程质量存在一定的缺陷，或者不具备完善的监测设施和规范的管理制度，没有定期对大坝进行维修和养护，大坝若想要安全运行需要采取一定措施，则评定为二类坝；当大坝不具备上述标准所规定的防洪能力时，或者大坝质量问题比较严重，存在较大安全隐患，不能正常运行，则评定为三类坝.

晒口水库安全评价项目中对《导则》要求各项内容进行了复核，大坝具有满足规范要求的防洪能力，工程质量良好，抗震安全及金属结构安全满足相应规范要求，防洪计算及相关部分安全评价在其他文献中说明.本文主要对除险加固后，水库大坝渗流安全、结构安全进行复核分析，结果显示均满足相应的规范要求.但根据项目其他部分复核结果，晒口水库大坝水文测报设施及相应监测内容有待进一步补充，档案管理制度有待进一步规范.参照上述《导则》中的大坝分类具体标准，建议将晒口水库大坝评定为二类坝.