山区水库大坝安全鉴定及除险加固应用研究

韩海英

(山东省临沂市莒南县陡山水库管理中心,山东 临沂 276634)

1 工程概况

水库大坝高23.2m,坝顶宽度65.3m,湖水容量3.16×104m3。上游坡角20°,下游坡角13.5°,坝顶纵向坡度0.006,输入初始水位520.15m,溢洪道深度12m,溢洪道底部宽度8m,边坡倾角33.7°,溢洪道底部高程511m,溢洪道施工后的湖水量8.46×104m3,总容量10.69×104m3。临界滑动坡角50°,下游临界坡度角30°。

坡坝主要由3层组成:上层(第一层)为砾石土,厚度5～15m;中层(第二层)为强风化碎裂岩,厚度10～15m;底层(第三层)为弱风化碎裂岩。大坝的可蚀性系数从顶层的120mm3/N-s变化到底层的10mm3/N-s。大坝左右肩部无不良地质构造,因此大坝边坡处于稳定状态。对现场取土进行相关的室内击实试验发现,大坝两侧填土的干密度小于最大干密度,表明大坝两侧填土的压实度较低。通过现场钻孔注水试验和室内渗透试验发现,现场的渗透系数值处于1.33×10-5～2.23×10-4cm/s之间,即大坝两侧填土处于具有中等透水性,因此要进行防渗加固处理。大坝基础的持力层坚硬,承载力高,满足相应的规范要求,且相关实验表面持力层属弱透水性。根据原位实验和室内实验的结果,建议对该大坝进行防渗加固处理。大坝两侧填土的压实度较低,局部区域存在渗漏现象,但大坝未出现明显的结构破坏。

2 防洪安全复核及安全评价

防洪安全复核是一种评估洪水风险和安全措施的方法,旨在评估某个地区的洪水风险,以及当前的洪水安全措施是否足够保护当地居民和财产安全。在复核过程中,可能会对当前的洪水控制措施进行评估,并确定是否需要进行改进或加强。通过进行防洪安全复核,可以提高公众对洪水风险的认识,并帮助当地政府和相关利益相关者制定更好的洪水管理政策。此外,复核还可以帮助确定投资洪水控制措施的优先级,并确保资金的最大效益。

2.1 水库的水位及库容参数

通过查阅相关规范,计算不同时间段内的降雨量,得到降雨衰减指数,见表1。该水库以初始水位开始起调,起调水位520.15m。库容曲线的绘制是基于该大坝库区的实际地形量进行量取,具体数据见表2,并可参考图1。

图1 水位库容曲线

表1 降雨衰减指数

表2 该水库水位与库容关系

泄流曲线是大坝防洪安全重要的评估依据之一,可以用于确定水库泄洪的合理流量和水位,以及根据预测的降雨情况和水文条件,预测和控制水库泄洪的过程。同时,泄流曲线还可以作为大坝运行管理的重要参考依据,以保证水库的安全运行和防洪能力。它是用来描述大坝水库泄洪流量与水位之间关系的曲线,横轴表示水位,纵轴表示泄洪流量。当水位升高时,泄洪流量也随之升高,泄流曲线的斜率表示水库泄洪能力的大小。根据当地水文数据和实测资料,采用式(1)计算溢洪道的泄流,水位下泄流量曲线见图2。

图2 水位泄流曲线

(1)

式中:m0为水库的流量系数,0.35;B为大坝顶部的宽度,350m;H0为考虑流速水头的总水头,m。

2.2 水库调洪演算

调洪演算是指通过计算和模拟水文过程,预测和评估不同洪水情况下的水位、流量和泄洪流量等参数,制定合理的洪水调度方案,以达到最佳的防洪效果和水资源利用效益的目的。本文采用单位线法进行计算,即根据洪峰流量和洪水过程的时间分布规律,将总径流量分配到一定的时间范围内,以确定不同时段的径流量和泄洪流量。水量平衡方程为:

(2)

式中:Q1、q1分别为最初进库和出库的水流量;Q2、q2分别为结束时进库和出库的水流量;V1、V2分别为水库的初始蓄水量和最终蓄水量;Δt为计算的时间。

根据设计标准和设计洪水频率,确定设计洪峰流量和洪水过程时间分布。洪调演算的过程和结果分别见图3、图4及表3。

图3 P=0.33%的Q-t和q-t过程线

图4 P=3.33%的Q-t和q-t过程线

表3 水库的调洪结果

通过进行调洪演算,得出该水库的相关参数。由此可知,该水库的总库容为10.69×104m3,设计洪水位519.70m,经过校核后的洪水位519.91m。

2.3 水库安全性复核

水库在频率为3.33%时,水库的最高水位519.7 m;在频率为0.33%时,水库的最高水位519.91 m。无论是校核高度还是设计高度,均小于某水库大坝的高度23.2m。因此,按照规范中坝高取最大值的原则可知,水库大坝的高度满足规范要求,其安全级别属于A级。

在频率为3.33%时,水库设计最大流量15.53 m3/s;在频率为0.33%时,水库设计最大流量10.25 m3/s。水库大坝高度23.2m,坝顶宽度65.3m,湖水容量3.16×104m3。溢洪道深度12m,溢洪道底部宽度8m,边坡倾角33.7°,溢洪道底部高程511m,溢洪道施工后的湖水量8.46×104m3,总容量10.69×104m3,临界滑动坡角50°。通过比较实际坡降和计算结果,判断水流流态为急流。通过查阅规范计算大坝的泄槽水面线发现,两侧的挡墙高度均大于水位高度,因此满足泄洪要求,且泄洪能力为A级。

2.4 大坝安全性评价

对大坝渗流和大坝结构进行安全性检查是评价大坝安全性的两个重要指标。采用拉普拉斯方程(Laplace's equation)计算水库大坝在无压渗流条件下的渗透系数,方程表达式见式(3);规范中对黏性土的渗透允许坡降计算见式(4):

(3)

(4)

式中:kx、ky分别为土体水平方向的渗透系数和垂直方向的渗透系数;H为土体中任意一点处渗透水的计算水头,m;Gs为土体的容重,一般取值2.7;n为回填土的孔隙率,一般取值0.4;KB=1.5。

通过当地的填土工程地质报告,可获得水库大坝回填土的相关参数,见表4。带入表4中的数据,计算得到大坝J破坏=0.67,小于J允许;当水位处于正常蓄水量时,大坝的渗流量为1.06m3/d·m,因此大坝漏水量的计算值为 13 187m3。通过现场观察,未发现大坝下游出现渗流现象,故水库大坝渗透性能低,满足要求。

表4 水库大坝回填土的相关参数

为了计算大坝的稳定性,分别选取4组工况,研究大坝在正常运转条件和非正常运转条件下的边坡安全系数,计算工况和大坝的稳定性计算结果见表5。根据规范规定,5级建筑物在正常工作状态下的K值应该大于1.25,在非正常状态下的K值大于1.15。由表5可知,大坝在上述4种工况下均满足规范要求,因此大坝结构是稳定的。

表5 工况情况

3 大坝加固措施

水库大坝的安全性主要通过以下几个方面体现:①水库大坝的主要作用是蓄水和防洪,因此其抗洪能力是非常重要的。如果大坝无法承受洪水冲击,就会导致大坝破裂、溃坝等严重后果。②如果水库大坝所处地区经常发生地震,就需要考虑大坝的抗震能力。因为地震可能会导致大坝产生位移、滑坡、断裂等问题,从而导致大坝安全事故。③大坝需要具备足够的强度和稳定性,以保证在受到外部力的作用下不会发生塌陷、滑坡、断裂等情况。④水库大坝需要具备较好的防渗能力,以防止地下水和溢流水对大坝的侵蚀和冲刷,从而保证大坝的稳定性和安全性。⑤及时监测和预警大坝的安全状态是保障大坝安全的重要手段。总之,水库大坝的安全性从多个方面考虑,及时采取相应的技术措施加固处理。

为保障水库大坝的安全性,可从以下几个角度对水库大坝进行加固:①对于水库大坝来说,防渗是非常关键的。因此,可采用土工膜、混凝土等材料进行防渗加固。②对于老化或高度不足的水库大坝,可通过加高加固的方式增加坝高,使其具备更好的承载能力。③为了分散水流,减少水库大坝承受的水压力,可以在大坝前设置引水分流渠道或拦沙坝等工程。④加厚大坝底部或上部结构,通过增加截面积来提高其稳定性和抗震能力。⑤加装监测系统,能够实时监测水库大坝的变形和裂缝情况,及时发现问题并采取措施进行修复。⑥为了确保水库大坝的稳定性,可以通过加固基础的方式来提高其承载能力。需要注意的是,加固水库大坝需要充分考虑工程技术、材料性能、环境因素等多种因素,并确保加固方案的可行性和可持续性。

4 结 语

本文经过对水库大坝除险加固工程的实际施工质量、设计洪水、大坝高度、溢洪道、填土压实度等方面的考核,结论如下:

1)根据原位实验和室内实验的结果,建议对该大坝进行防渗加固处理。虽然大坝两侧填土的压实度较低,且局部区域存在渗漏现象,但大坝并未出现明显的结构破坏,且其沉降已趋于稳定。

2)采用单位线法进行调洪演算,结果表明该水库的总库容大于设计的洪水位和校核后的洪水位,满足规范的大坝高度要求,其安全级别属于A级。两侧的挡墙高度均大于泄槽水面线的高度,因此满足泄洪要求,且泄洪能力为A级。对大坝渗流和大坝结构进行安全性检查,均满足规范要求,大坝处于稳定状态。

3)该水库已经具备正常的运行条件,但仍应该对大坝的抗洪能力、抗震能力、强度和稳定性、防渗能力、监测和预警能力等方面进行加固,以确保水库大坝的运行安全。