郎冲畈水库安全复核研究

文小锁

（铜陵南部城区建设管理委员会，安徽 铜陵 244000）

1 引言

水库安全对下游居民以及重要建筑物的安全有较大的影响[1，2]。早期修建的水库，受限于当时的经济、技术水平，水库施工质量较为低下，导致水库安全不满足现状需求[3，4]。针对早期修建的水库，对其安全情况进行复核是十分必要的，可为水库除险加固工程提供参考。结合郎冲畈水库工程，对水库安全复核进行分析。

郎冲畈水库位于铜陵市郊区大通镇金华境村内，距铜陵市区7 km，属长江流域顺安河水系，集水面积2.00 km2。水库设计灌溉面积0.07万亩，有效灌溉面积0.05万亩。水库下游防洪保护范围有中安客运专线、铜九铁路、沿新大道和佘家村、竹园里村、墩上村、大院村等村庄，防洪保护农田0.12万亩，保护人口0.15万人。水库现状坝顶高程50.7 m(吴淞高程，下同)，兴利水位49.3 m，兴利库容16.3万m3，原总库容29.5万m3。

2 水库防洪复核

2.1 水库防洪标准

郎冲畈水库原设计总库容29.5万m3，本次复核总库容29.84万m3。防洪标准为20年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核。工程等别为Ⅴ等，主要水工建筑物为5级。

2.2 起调水位

郎冲畈水库是以灌溉为主，同时具有防洪和水产养殖等综合利用效益的小㈡型水库。水库的起调水位采用原设计选定的正常蓄水位。郎冲畈水库在经过历次续建工程建设后，坝顶高程达50.40～50.70 m，溢洪道堰顶高程49.30 m。本防洪安全复核报告不再复核原兴利规模。其起调水位采用正常蓄水位49.30 m。

2.3 水库高程～面积～容积关系曲线

根据1∶10 000地形图，重新对水库的流域面积和正常蓄水位高程以上的高程～面积～容积关系进行了量算。

郎冲畈水库的水位～库容关系曲线见图1。

图1 郎冲畈水库水位～容积关系曲线

2.4 泄洪建筑物水位～流量关系曲线

郎冲畈水库的泄洪设施只有正常溢洪道(本水库无非常溢洪道)，1座灌溉放水涵主要用于灌溉放水，其放水规模较小，不考虑其泄洪作用。

郎冲畈水库溢洪道位于水库大坝左端，是郎冲畈水库唯一的泄洪建筑物。溢洪道为宽顶堰，堰顶高程49.30 m，堰宽12.0 m。

溢洪道水位～泄量关系见表1。

表1 郎冲畈水库水位～库容积～泄量关系表

2.5 水库的防洪要求及调度运用方式

郎冲畈水库的开发任务以灌溉为主，在原设计和续建工程建设中，均未考虑为下游防洪控制水库的泄量问题。水库放水涵主要作用为灌溉放水，不参与水库的泄洪。溢洪道为开敞式泄洪建筑物，因此，郎冲畈水库的调度运用方式为：当水库水位达到正常蓄水位49.30 m时，溢洪道自行泄洪，以确保水库大坝安全。

2.6 调洪计算成果

根据上述拟定的调洪演算原则及本次复核的水库容积关系曲线、泄洪建筑物泄量关系曲线和设计洪水成果进行水库调洪演算，成果见表2。其中20年一遇洪水位50.25 m，300年一遇洪水位51.04 m。

表2 郎冲畈水库调洪演算成果表

本次调洪演算设计洪水与校核洪水成果与原设计成果比较见表3。

表3 两次调洪演算成果表

从对比结果可以看出，原设计成果相比较，本次复核成果20年一遇设计洪水位比较原设计水位低0.14 m，300年一遇校核洪水位与原设计水位比较接近，主要原因有：⑴洪水计算办法不同；⑵流域特征值与原设计略有出入。

3 大坝安全复核

3.1 渗流安全复核

3.1.1 坝体渗透破坏类型的判别

利用本次勘探试验成果，对坝身填土的渗透变形类型及渗透破坏可能性进行判别。符合下列条件则为流土破坏，反之，为管涌破坏。

其中：n土的孔隙率，取n=0.775；Pc土的细粒颗粒含量；

对连续级配的土，土的细颗粒界限粒径df按下式计算：

式中：d70、d10分别占总土重的70%和10%的土粒粒径。

流土型土采用下式计算土的临界水力坡降：

式中：Jcr—土的临界水力坡降；Gs—土的颗粒密度与水的密度之比（土粒比重）；n—土孔隙率；

管涌型土采用下式计算土的临界水力坡降：

式中：d5、d20分别占总土重的5%和20%的土粒粒径；Jcr—土的临界水力坡降；Gs—土的颗粒密度与水的密度之比（士粒比重）；n—土的孔隙率；

各土层允许渗透坡降［J］以土的临界坡降除以2.0的安全系数，计算结果见表4。

表4 坝身填土的渗流临界坡降计算值

3.1.2 渗流稳定计算

（1）计算断面选取

郎冲畈水库大坝坝顶长290 m，综合考虑地形地貌，坝身高度及坝基、坝身填土条件、实际发生渗漏及滑坡险情等情况，选取较不利的大坝中部1个代表断面作为计算断面，进行大坝渗流稳定复核计算。

（2）计算参数选取

通过对各地质钻孔土层出露的综合分析，取各土层的渗透系数值于表5。

表5 坝身土体渗透系数取值

（3）渗流稳定计算

采用水工结构有限元分析系统(AutoBank河海大学工程力学研究所)进行坝身及坝基的渗流稳定计算。计算工况在稳定渗流期分正常运用和非正常运用两种情况，计算工况和上下游水位见表6。

表6 现状坝坡渗流稳定计算工况及水位

经计算，渗流出逸点高度、单宽渗透流量及各种工况坝坡出逸坡降值计算结果，见表7，绘制的等势线见图2。

表7 现状大坝抗渗稳定核算成果表

（4）计算结果分析

坝坡水平渗透坡降值在0.31～0.32之间，垂直渗透坡降值0.29。根据地质报告，粉质粘土在其出口段允许坡降：水平为0.25～0.35，垂直为0.25～0.36。典型剖面的水平渗透坡降、垂直渗透坡降均能够满足规范要求。

由于坝体土层渗透性较强，在正常及非常运用时，计算坝体内浸润线偏高，下游坝面出逸点高程较高(坝脚以上3.98～4.25 m)。现场检查发现渗漏最高出逸点在平台附近，与计算结果基本一致。

综上，大坝下游坝面渗流出逸点位置较高，大坝容易发现流土破坏等险情，因此，应采取工程措施予以加固处理。

图2 总水力坡降等势线图

3.2 坝坡稳定性复核

3.2.1 稳定渗流期坝坡稳定计算

（1）计算工况

结合本坝特性，计算工况在稳定渗流期分正常运用和非正常运用两种情况组合，主要是计算坝体的下游坝坡稳定，主要计算工况和上下游水位见表8。

表8 稳定渗流期的坝坡稳定计算工况和水位

（2）浸润线计算

浸润线计算采用渗流有限元进行计算，分别计算水库在设计洪水位和校核洪水位时的渗流情况。

（3）计算成果

坝体边坡的稳定采用瑞典圆弧法进行计算，大坝稳定计算成果见表9。从表中可以看出，代表断面处坝体下游坝坡在各种工况下的抗滑稳定安全系数均能满足现行规范要求。

表9 稳定渗流情况坝坡抗滑稳定安全系数

3.2.2 非稳定渗流期坝坡稳定计算

（1）计算工况

非稳定渗流期与稳定渗流期相同，计算工况分正常运用和非正常运用两种情况组合。主要是计算坝体的上游坝坡稳定，各种计算水位主要考虑从校核洪水位～正常蓄水位、设计洪水位～正常蓄水位及正常蓄水位～死水位间的骤降，主要计算工况和上下游水位见表10。从表中可以看出，在各种工况下，非稳定渗流条件下大坝坝坡是安全的。

表10 非稳定渗流情况下坝坡抗滑稳定安全系数

4 结论

（1）根据郎冲畈水库现状防洪复核结果可知，水库现状无法满足防洪需求，主要原因是泄洪建筑物泄洪能力不足，因此，水库泄洪建筑物需采取除险加固工程设计。

（2）通过对大坝安全和渗流情况复核验算，现状坝坡稳定性不同条件下均可满足规范要求，渗流结果表明：水平渗透坡降、垂直渗透坡降均满足要求，但大坝出逸点较高易出现流土破坏，大坝需采取防渗加固措施。