密云水库高水位运行工程性态分析与评价

周上梯

(北京市密云水库管理处，北京 101512)

1 工程概况

密云水库总库容43.75亿m3，为华北地区最大的水库，是一座具有防洪、供水等多种功能、多年调节的大型水利枢纽[1]。工程于1958年9月动工兴建，1959年汛期拦洪，1960年9月基本建成。水库工程按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，设计水位157.50m，校核水位158.50m，汛期限制水位152.00m，死水位126.00m[2]。

密云水库水工建筑物及附属设施众多，主要包括7座主副坝、3座溢洪道、7条输泄水隧洞、1座电站和1座调节池。监测设施包括233个测压管、12个量水堰、180个变形标点、14个三向测缝仪等[3]。

2 高水位运行情况

2021年，密云水库蓄水量、降水量、降雨场次均创历史之最。年初库水位148.27m，因汛期连续降雨影响，库水位稳步抬升，7月20日时隔22年后重回150.00m以上；8月23日突破了1994年历史最高水位153.98m，随后水位不断攀升，10月1日库水位达到155.30m，相应蓄水量35.793亿m3，创造了密云水库库水位和蓄水量新纪录。自2021年以来，水库持续处于高水位运行状态，2023年10月8日，库水位151.69m，相应蓄水量29.883亿m3[4]。

3 渗流和变形监测分析

3.1 渗流监测分析

渗流监测分析基于2021年9月30日渗流监测数据进行，当日库水位155.28m，接近历史最高水位155.30m，从绘制的白河主坝0+433横断面浸润线图(见图1)可知，浸润线较低且位于覆盖层中，低于设计浸润线和历史实测最高浸润线，说明该坝防渗效果良好；从汇总的主副坝渗透比降统计(见表1)数据可以看出，典型断面渗透坡降均低于规范允许值0.1，说明坝体不会发生渗透破坏。

表1 密云水库大坝渗透比降统计

图1 白河主坝0+433横断面浸润线(单位：m)

同时结合过程线法、位势法、等水位线法等方法分析可知：各建筑物浸润线、渗透坡降、渗流出逸点高程、渗流量等均低于设计值；从绘制的测压管水位过程线可以看出，测压管水位总体趋势随库水位升降而升降；位势计算结果表明，各建筑物典型断面位势接近于常数，渗透稳定，渗流场变化趋势合理[5]。

3.2 变形监测分析

变形监测分析以潮河主坝为例，从绘制的纵断面沉陷量分布图可知，该坝在运行初期沉陷速度较快，后随着时间推移而逐渐减缓，到1994年以后沉陷已趋稳定，大坝沉陷基本完成；沉陷总体呈现同一横断面坝顶大坝底小、同一纵断面坝中大坝端小的特点，说明沉陷量的大小与大坝填筑高度成正比；由沉陷率计算统计结果(见表2)可以看出，各标点沉陷率在1.66‰～3.45‰之间，在设计允许范围内，累计最大沉陷量是下游第一排桩号下0+400处的沉陷量168mm，在潮河主坝的最大坝高处，与大坝沉陷规律相符；由潮河主坝2022年下游第一排水平位移量统计结果(见表3)可以看出，位移标点年位移量均为0，最大累计位移量为55mm(下0+300)。在高水位运行工况下，大坝的沉陷量和水平位移并没有明显变化，说明大坝变形已经稳定。

表2 潮河主坝沉陷情况统计

表3 潮河主坝下游第一排标点位移量统计

综合各水工建筑物的变形监测分析结果，各主副坝、溢洪道水平位移年间隔变形值在2mm范围内，最大累计水平位移值为南石骆驼副坝0+330断面的114mm(截至2022年)；竖向位移年间隔变形值在6mm范围内，最大累计沉陷值为白河主坝0+300断面的376mm(截至2022年)，累计变形值在设计允许范围内；从沉陷量过程线图可看出，大多数标点过程线斜率变化较小，沉降趋于稳定；坝体中间部位沉陷量明显大于坝体两端，坝体变形符合土石坝变形规律[6]。

4 重点建筑物复核计算与分析

4.1 白河主坝斜墙渗透稳定性复核分析

白河主坝为密云水库主要挡水建筑物之一，坝长960.2m，坝高66.4m，坝体采用黏土斜墙防渗(见图2)，坝基采用混凝土防渗墙、黏土水泥帷幕灌浆、壤土齿槽联合防渗的形式。

图2 白河主坝横断面(单位：m)

经统计分析该坝下游坝体管及覆盖层管管水位，下游水位均位于坝基覆盖层内，基本维持在80.00m左右。尽管近年来水库蓄水增加，特别是2021年10月1日达到历史最高水位155.30m，下游测压管水位有所增加，但仍保持在80.00～82.00m之间，始终较设计浸润线低14m左右。该情况充分说明大坝的整体防渗效果良好。但上下游水位差增加可能导致坝体内防渗斜墙渗透稳定性不足，有必要进一步复核斜墙厚度[7]。

经查阅白河主坝设计资料，大坝上游万年一遇校核洪水位为158.50m，斜墙底部高程为95.00m，墙底处承受最大水头为63.50m。按原设计允许渗透梯度5.15计算斜墙底厚度为12.33m[8]。而根据大坝下游坝体覆盖层测压管水位实测资料统计分析，斜墙底部实际最大水头为75m，按允许渗透梯度5.15计算斜墙底厚度为14.56m。而据白河主坝除险加固资料，在1977年11月完成白河主坝抗震加固后，斜墙底部增厚达到15.5m，顶部宽度达到3m，现状斜墙厚度满足原设计要求，同时也满足现行《碾压土石坝设计规范》(SL 274—2020)中土质防渗体顶部水平宽度不小于3m、斜墙底部厚度不小于水头的1/5的规定[9]。通过上述复核计算分析可知，白河主坝斜墙上下游虽实测水头高于设计水头，但斜墙厚度在设计允许和规范规定范围内，故斜墙渗透稳定性满足安全运行要求。

4.2 第二溢洪道闸首抗滑稳定性分析

第二溢洪道是密云水库主要泄水建筑物之一，河岸开敞式，溢流堰为真空剖面堰，高3m，堰顶高程148.50m，最大泄量4250m3/s。闸首设5孔弧形闸门，孔口尺寸为12m×9.2m(见图3)。

图3 第二溢洪道平面布置(单位：m)

第二溢洪道在4个中墩设置了10根基岩测压管。通过分析各测压管水位可知，2001年后库水位低于管底高程期间，中墩上游4根测压管1～4号干孔，为正常现象；其余测压管水位均高于库水位，且在汛期变幅较大，属异常现象，分析原因为受降水影响外水进入管中导致。进一步分析近两年测压管数据可知，随库水位在147.10～155.30m范围变动，1～4号管水位相应在143.00～147.90m范围变动，变化趋势一致；其余测压管水位受降水影响仍表现出变幅较大、经常高于库水位的异常现象。因1～4号测压管水位能够较为真实地反映堰底渗透压力，故选取上述4个测压管管水位进行统计和计算，可得出堰底渗透压力强度系数α最大值为0.5。

依据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)确定设防地震动峰值加速度的分区值为0.20g，对应的地震基本烈度为Ⅷ度。第二溢洪道为1级建筑物，按照《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51274—2018)确定工程抗震设防类别为甲类，应在基本烈度上提高1度作为设计烈度，按场地类别调整后的水平向设计地震动峰值加速度代表值相应增加1倍。

在此基础上复核闸首稳定性(见图4)，选择正常蓄水位157.50m工况和闸上挡水位为157.50m时遭遇地震工况，按抗剪断强度公式计算堰体和中墩的抗滑稳定安全系数。参照1996年5月清华大学水利水电工程系完成的《潮河第二溢洪道工程安全检查总报告》中的相关参数取值：堰底渗透压力强度系数α采用0.5；岩石定为中等，堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断黏聚力c′可取0.9MPa，但因二道施工中基础开挖放了大炮，经研究以c′=0.15～0.30MPa进行计算；堰体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数f′采用0.60[10]。本次复核计算中，因闸首岩石基础主要由花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩组成，虽施工时放炮一定程度上影响其整体性，而c′=0.15～0.30MPa已处Ⅴ类岩石区间，综合闸首高水位运行工作状态和闸基岩性，取c′=0.30MPa。

图4 第二溢洪道闸首断面(单位：m)

由计算结果(见表4)可以看出，堰体和中墩在正常蓄水位工况和地震工况下的抗滑稳定性均满足现行规范要求[11]。考虑到施工时放炮对闸墩岩石基础的影响，在以后的运行管理中须加密巡视检查和加强监测分析，可采取在闸首下游侧布设钻孔钻芯取样的方式进行勘查和研判，以进一步复核分析岩石基础的实际特性，更加精确地复核计算闸首抗滑稳定性。

表4 闸首抗滑稳定计算成果

5 结 语

密云水库建成至今已安全运行60多年，综合近年高水位运行工程巡视检查情况、工情监测分析情况、重点建筑物复核计算分析情况及工程设施勘察、设计、建设、加固、改造情况和历次安全检查、安全鉴定、抗震复查结论分析研判，密云水库主要水工建筑物渗流正常，变形稳定，渗透稳定性和抗滑稳定性满足规范要求，工程安全状况总体良好，能够保证设计工况下运行安全。