坝脚附近新建省道对水库大坝安全影响分析与评价

2021-07-05顾浩钦宁波市水利水电规划设计研究院有限公司

珠江水运 2021年11期

顾浩钦宁波市水利水电规划设计研究院有限公司

陈之渊河海大学水利水电学院

郭素真沈翔宁波市水利水电规划设计研究院有限公司

1.工程概况

杨梅岭水库位于浙江省宁波市宁海县梅林街道境内凫溪下游，是一座以防洪、灌溉、供水为主，结合发电、养鱼等综合利用的中型水库。水库于1958年动工，1961年建成。期间经历过多次除险加固，最近一次为2009年10月开工建设的维修加固工程，并于2012年4月通过蓄水阶段验收后恢复蓄水。

杨梅岭水库正蓄常水位24.11m，设计洪水标准50年一遇，设计洪水位25.56m，校核洪水标准2000年一遇，校核洪水位27.38m，总库容1509万m3。水库枢纽工程等别Ⅲ等，主要由大坝（主坝、三座副坝）、泄洪建筑物（溢洪道、泄洪闸、过水土坝）、发电引水隧洞、电站（两座）、虹吸管、泵站等建筑物组成。

杨梅岭水库第一副坝原为粘土斜墙坝，维修加固后，坝体防渗采用防渗粘土斜墙、悬挂式低弹模混凝土防渗墙及防渗铺盖分段结合使用的方式，防渗墙上部粘土夯填密实。第一副坝坝长1810m，坝顶高程28.70m，防浪墙顶高程29.70m。

38省道宁海桥头胡至深甽段改建工程（以下简称省道）是宁海西北部地区东西向交通干线，是宁海连接新昌的一条重要的交通干线，是宁海旅游带的一条交通干线。省道按公路-Ⅰ级设计，双向六车道，设计速度80km/h，路基宽度32m，其穿过杨梅岭水库第一副坝下游坝脚的1.8km段位于水库管理范围内。

2.安全影响分析与评价的必要性

根据《浙江省水利工程安全管理条例》，“中型水库大坝的管理范围为大坝两端以外不少于80m的地带（或者以山头、岗地脊线为界），以及大坝背水坡脚以外80m至200m内的地带；保护范围为管理范围以外30m至80m内的地带”。本次新建省道的1.8km段临近水库第一副坝下游坝脚，省道建设用地红线与第一副坝下游坝脚的距离约5.0～18.1m，1.8km段省道全部建设内容位于杨梅岭水库管理范围内。

因完善浙江省国省道主干公路网络及促进宁海社会经济进一步发展、加快区域城市化进程、带动区域旅游业发展的需要，本次38省道改建工程，为确需建设的建筑物（构筑物）。但省道的建设，占用了杨梅岭水库的管理范围，且省道在施工时的土石方挖填及堆载、道路施工机械作业及道路运行期的车辆荷载等将直接作用在第一副坝下游坝脚附近，对水库大坝的安全运行存在一定影响。

因此，根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》、《水库大坝安全管理条例》及《浙江省水库大坝安全管理办法》、《浙江省水利工程安全管理条例》等相关法律法规及条例条文，有必要进行省道对水库大坝等的安全影响进行全面、系统的论证分析与评价，确保省道建设及投入使用后确实能不影响或尽可能减少对杨梅岭水库工程的安全稳定运行，并为水行政主管部门和相关部门科学决策及审批提供理论依据。

3.省道运行期对水库大坝的影响分析

3.1 省道运行期对坝体影响分析

在省道竣工通车的道路运行期间，第一副坝坝体的抗滑稳定安全分析计算选取3种工况（正常蓄水位工况1、设计洪水位工况2、校核洪水位工况3）。计算分析选择最危险断面（靠近第一副坝坝脚最近、道路宽度最大的整体式路基标准横断面），分别就未建道与省道建成运行后的坝体抗滑稳定进行计算。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020），本次计算采用瑞典圆弧法。在省道运行期计算中计入汽车荷载（以车辆荷载计入），同时汽车荷载的冲击力以汽车荷载乘以冲击系数μ的方式考虑。根据工程地质勘察确定第一副坝坝体各土层物理力学指标建议值见表1所示。

表1 第一副坝各土层物理力学指标建议值表

经计算，未建道各工况下第一副坝坝体抗滑稳定安全系数分别为1.625、1.509、1.301，均满足规范要求（规范允许最小安全系数，正常运用工况1和2为1.20，非常运用工况3为1.10）。省道修建完工并通车后坝体抗滑稳定安全系数分别为1.638、1.516、1.312，略大于未建道情况下的稳定安全系数。

省道竣工通车后，在第一副坝下游坝脚外侧增加了道路基础及车辆荷载，一定程度上起到了镇压平台的作用，从而增加了坝体断面的抗滑稳定安全性。因此省道运行期对杨梅岭水库第一副坝的抗滑稳定安全起到了有利影响，安全系数有所提升。

3.2 省道运行期对防渗墙影响分析

杨梅岭水库维修加固后，第一副坝坝体0+680～1+685段采用原粘土斜墙结合悬挂式低弹模混凝土防渗墙相结合的防渗方式。混凝土防渗墙布置在坝轴线上游1.8m处，轴线长度1005m，墙厚0.4m。墙体材料为低弹模砼，要求28天抗压强度≥8.0MPa，渗透系数≤1.0×10-7cm/s，弹性模量≤6000MPa，抗渗等级不低于W4。低弹模砼防渗墙墙顶高程27.70m，墙体穿透砂砾卵石层（Ⅱ1）并进入相对不透水层含泥砂砾卵石层（Ⅱ2）不小于3.0m，最大墙深22.54m。

图1 第一副坝坝体及防渗墙、省道二维有限元模型图

本文采用水工结构二维有限元方法，分析在道路运行期间车辆的长期震动荷载作用下，第一副坝坝体低弹模混凝土防渗墙的平面有限元应力变形状态，典型断面有限元模型结构计算按照平面应变问题考虑。地基土的模拟深度为防渗墙以下20m，大坝两侧的模拟范围为坝体上游侧外延30m，坝体下游侧存在省道，故外延60m。

本文选取工况2，并在计算分析中认为大坝已运行多年，其固结沉降已基本完成，故不再考虑原坝体竖向荷载包括其自重的影响，只计入初始应力场。省道计入道路及路基自重荷载。模型各分区的材料参数根据工程地勘资料并参考类似工程计算经验选取。

模型计算分析时，首先通过静力分析，建立初始自重应力场，在该自重应力场下进行车辆荷载微振分析。模拟中，将车荷载简化为一个均布压力，并通过随时间改变均布压力位置来模拟车辆的行驶。计算选取坝体防渗墙顶部和底部为主要研究对象，分析其在车辆振动荷载作用下的响应情况，成果见表2所示。

表2 防渗墙在省道运行期应力变形最值成果表

根据表2分析，省道运行期，车辆振动荷载引起的第一副坝防渗墙墙体水平和竖直向位移响应均较小；除墙体顶部部分位置出现拉应力外，墙身基本受压，量值在可控范围内。由于低弹模混凝土防渗墙很“柔”，通过变形协调，可与周围土体共同承受水荷载及道路车辆传来的荷载，因此具有很强的适应变形能力。据此成果分析，省道运行期车辆行驶对第一副坝坝体混凝土防渗墙影响不大，未见危及防渗墙安全的损伤出现。

4.省道施工期对水库大坝的影响分析

4.1 省道施工期对坝体影响分析

省道施工期，在第一副坝下游坝脚外进行了路基土石方的小幅开挖置换，土石方开挖后，一定程度上减少了下游坝脚后的土体荷载。仍选择最危险计算断面，省道道路部分调整为路基开挖后断面，分别就省道施工开挖后坝体在3种水位工况进行抗滑稳定计算。

经计算，省道施工期路基开挖后坝体各工况下的抗滑稳定安全系数分别为1.618、1.500、1.287。由此可知省道施工期间，第一副坝的抗滑稳定安全系数略有降低，但从数值看，均仍大于规范要求。

4.2 省道施工期对防渗墙影响分析

省道施工中，路基及路面需要采用碾压处理，路基碾压过程中，因施工机械运行及振动碾压等动荷载作用，将对地基土层沿纵深方向产生扰动并一定程度将传至第一副坝坝内混凝土防渗墙。本文选取工况2进行计算分析，相关假定同运行期计算，同时道路施工碾压按照随时间变化的速度荷载考虑。据此采用二维有限元模型进行计算分析，得出计算断面坝体混凝土防渗墙在墙顶、墙身及墙底处的最大振动垂直向速度分别为2.31、2.19、2.10 cm/s，水平向速度分别为2.54、2.41、2.33 cm/s。

受施工机械振动碾压的影响，低弹模混凝土防渗墙结构是否会产生振动损伤并危及安全，目前尚未有国家规范明确规定防渗墙的安全允许振动速度值，国内外也尚无确定的安全判据或专门的研究成果可资判明。但作为诱发的振动荷载，其与基岩开挖爆破诱发振动频率有一定的相似性，因此本文参考《水工建筑物岩石地基开挖施工技术规范》关于新浇筑大体积混凝土基础上的安全允许质点振动速度的规定（龄期7d～28d时，在不同主频下为7.0～12.0cm/s），判别计算成果。

根据模型有限元计算成果，省道施工机械碾压引起的坝体混凝土防渗墙质点振动最大速度为2.54cm/s，而防渗墙施工完成并已运行多年，对比7～28d龄期混凝土安全允许质点振动速度值的下限表明，省道施工期碾压作业引起的坝体混凝土防渗墙振动响应较小，对防渗墙墙体影响不大。同时根据防渗墙各部位边缘或中心位置的质点，其振动结果没有明显差异，碾压振动引起的水平向振动速度相应稍大于垂直向，但振动速度值基本处于同一量级。