运行期土石坝坝顶高程存在的问题及处理

2022-04-14吕高峰杜雪珍

浙江水利水电学院学报 2022年1期

吕高峰，张猛，杜雪珍

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.国家水电站大坝安全和应急工程技术中心，浙江杭州 310014；3.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州 310014)

根据《水电站大坝运行安全评价导则》(DL/T5313—2014)，本研究将正常坝细分为正常坝A和正常坝A-。根据这一标准，莲花、双沟、雪山湖、鄂坪、万安溪等多座土石坝坝顶或防浪墙顶高程不满足现行规范，评级为正常坝A-。早期大坝安全定期检查期间受洪水标准变化等因素影响，也会造成大坝坝顶(防浪墙顶)高程不满足现行规范。目前的土石坝防洪安全分项按表1进行分级。

表1 土石坝防洪安全分项分级表

例如因大坝沉降，大坝防浪墙顶高程高于浪顶高程，但安全超高不足，防洪安全分项的坝顶高程评价为A-级。沉降量若继续增大，会导致坝顶(防浪墙顶)高程低于浪顶高程或者坝顶高程低于最高静水位，这样防洪安全分项的坝顶高程即评定为B。大坝沉降量过大直接影响大坝的评级。

1 坝顶高程确定的依据

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2020)，坝顶在水库静水位以上的安全超高应按式(1)计算确定。

Y=R+e+A

(1)

式中：Y为坝顶超高，m；R为波浪在坝坡上的爬高，m；e为风壅水面高度，m；A为安全加高，m，根据坝的等级和运行条件确定。坝顶应预留竣工后的沉降超高，预留沉降超高应根据沉降计算、有限元应力应变分析、施工期监测和工程类比等综合分析确定。预留沉降超高不应计入坝的计算高度。

2 坝顶(防浪墙顶)高程不满足现行规范的原因

2.1 未设置预留沉降超高或预留的沉降超高不足

实际施工过程中，部分施工单位并未按照设计要求预留沉降超高，这样大坝发生沉降后，大坝坝顶高程就会低于计算坝顶高程。另外很多工程设置了预留沉降超高，但因大坝实际沉降量大于预留沉降超高后，也会造成坝顶(防浪墙顶)高程不满足现行规范。

例如双沟大坝工程于2004年12月22日开工，2005年7月30日坝体开始填筑，2007年9月底填筑至高程586 m(坝顶高程590 m)。面板混凝土于2008年5月26日开始施工，2008年9月17日全部完成。大坝从2009年9月23日开始监测，截至2019年5月，大坝坝顶最大沉降量为270.1 mm(LD4-4测点)，实测过程线见图1。

图1 双沟大坝坝顶实测最大沉降测点LD4-4沉降测值过程线

2019年6月，防浪墙顶高程低于按规范计算的防浪墙顶高程(590.79 m)0.32 m，低于防浪墙设计值(591.20 m)0.73 m，可以初步推测双沟大坝未按规范预留竣工后的沉降超高。

2.2 特征水位提高，坝顶高程计算值变大

受原设计洪水标准偏低、洪水标准提高或建筑物级别变化等，水库特征水位提高，导致坝顶高程计算值变化，使坝顶高程不满足现行规范。例如山西天桥水电站原设计洪水重现期采用100年，无校核洪水标准，不满足现行规范。贵州修文水电站设计的时候采用老规范，按重现期50年设计，200年校核，按照现行规范核查，原定的洪水标准不符合现行规范要求。下六甲电站因面板堆石坝最大坝高84.2 m，根据现行规范，堆石坝最大坝高超过80 m，建筑物级别提高至2级，洪水标准也要相应提高。因水库的特征水位变化，导致坝顶(防浪墙顶)高程不满足现行规范要求。

3 坝顶(防浪墙顶)高程加高案例

3.1 加高防浪墙

针对坝顶高程满足规范要求，仅防浪墙顶高程不满足现行规范要求的大坝，只需要加高防浪墙顶高程。

土石坝防浪墙高一般为1.2 m，双沟大坝的防浪墙实体高度只有70 cm，上部为栏杆。对于双沟大坝安全超高不足仅32 cm的问题，2019年7月，电厂利用防浪墙上部的栏杆，在防浪墙顶部焊接钢板，使防浪墙加高50 cm，从而使防浪墙顶高程满足现行规范要求。因加高的部分均为安全超高，设计和校核工况下均不挡水也不防浪，所以采用焊接钢板的形式是满足要求的。改造前照片见图2。

图2 双沟大坝改造前照片

防浪墙高度一般也不能太高，若防浪墙过高，就不便于从坝顶对大坝上游面进行巡查。若需要加高的防浪墙高度过大，可以在防浪墙靠近坝顶侧增设台阶，方便巡查。例如湖北的黄龙滩水电站由于防浪墙加高后，远高于正常成年人的身高，不利于现场检查，因此在防浪墙靠近坝顶侧增设了三个台阶，方便日常巡查。

3.2 加高坝顶

对于坝顶高程不满足规范要求的大坝应进行大坝坝顶高程加高，另外大坝坝顶属于临空面，根据大坝运行管理要求，需要设置1.2 m的围挡体，即在加高坝顶的同时加高防浪墙。若防浪墙顶原高程满足规范要求，则在防浪墙顶增设栏杆即可；若原防浪墙顶高程不满足规范要求，则要在防浪墙顶增设实体防浪墙。百丈漈一级大坝在定检时，根据2019平洪水计算得出设计洪水位655.97 m，校核洪水位658.91 m。受坝体沉降影响，2020年1月实测主坝、连珠坟副坝、白坟副坝坝顶最低高程分别为658.91,658.64,658.62 m，主坝坝顶最低高程与校核洪水位一致。两座副坝的实测坝顶高程低于校核洪水位，坝顶高程未满足规范要求。

针对上述问题，对主副坝进行了加高，主坝、连珠坟副坝、白坟副坝坝顶高程分别加高至659.18,658.96,658.95 m，均高于校核洪水位，满足现行规范要求。对于坝顶加高较多的大坝，考虑现场作业安全，防浪墙应进行加高，以便满足作业安全的要求。

3.3 坝顶、防浪墙顶高程加高的建议

1) 坝顶高程满足规范要求，防浪墙顶高程不满足规范要求的工程，则只需要加高防浪墙顶高程。

2) 坝顶高程不满足规范要求，防浪墙顶高程满足规范要求的工程，则只需要加高坝顶高程，但是考虑现场作业安全，防浪墙应进行加高，以满足作业安全的要求。

3) 坝顶和防浪墙顶均不满足规范要求，则两者均需要加高。

4 坝顶沉降超高的建议

导致坝顶(防浪墙顶)高程不满足规范要求的原因主要是坝体填筑到顶后(运行期)的沉降量超过预留沉降超高，规范也要求预留沉降超高要进行工程类比，据此对国内大中型土石坝运行期的沉降量最大值进行统计。大中型土石坝主要为面板堆石坝和心墙坝，均质坝很少。鉴于面板堆石坝和心墙坝坝体结构存在较大差异，对坝体沉降有一定的影响，两类坝型的沉降量分开统计。

4.1 面板堆石坝

面板堆石坝运行期坝顶最大沉降量在30～513.63 mm。坝顶运行期最大沉降量与坝高关系密切，最大沉降量与坝高比在0.03%～0.32%(图3和图4)。

图3 坝顶运行期沉降量与坝高关系图

图4 坝顶运行期沉降量与坝高的比值柱状图

4.2 心墙坝

心墙坝运行期坝顶最大沉降量在22～1 576.4 mm，坝顶运行期最大沉降量与坝高比在0.04%～2.48%。柘林大坝和南水大坝均建设于20世纪五六十年代，鉴于当时国内土石坝建设主要采用人工填筑方式，尚无大型机械进行碾压，导致两座大坝运行期沉降量偏大。除柘林大坝(2.48%)、南水大坝(0.66%)外，其余均在0.29%以内(图5和图6)。

图5 坝顶运行期沉降量与坝高关系图

图6 坝顶运行期沉降量与坝高的比值柱状图

综上所述，除上述两座大坝，国内大中型土石坝运行期坝顶沉降量与坝高的比值大部分都在0.32%以内。

《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2020)建议坝顶竣工后的预留沉降超高应根据沉降计算、有限元应力应变分析、施工期沉降监测和工程类比等综合分析确定。考虑工程类比因素，依据上述土石坝的统计成果,国内大中型土石坝运行期坝顶沉降量与坝高的比值大部分都在0.32%以内，考虑到上述工程部分大坝尚未完全稳定，但沉降速率均已逐步趋于稳定，采用坝高的0.5%作为控制是合适的。