龙九水库大坝加固方案及复核计算分析

雷 刚

（赣州市天鹰水利水电规划设计有限公司，江西 赣州 341000）

水库安全关乎人民群众生命财产安全，推进病险水库除险加固是保障水库长效安全稳定运行的重要举措[1]。我国现有9.8 万座水库，约95%为小型水库。我国病险水库多，虽然已经开展几轮大规模除险加固工作，但目前仍有大量病险水库存在[2]。我国土石坝多、老旧坝多，约92%的水库大坝是土石坝，约80%建于20世纪50—70年代，始建标准低。水库总体数量多、病险水库多、土石坝和老旧坝多，加上近年来超强暴雨等极端天气频发，水库安全风险形势严峻，病险水库除险加固工作迫在眉睫[3，4]。水利部联合相关部门印发《“十四五”水库除险加固实施方案》，明确了“十四五”期间病险水库除险加固、监测预警设施建设、以县域为单元深化小型水库管理体制改革、健全长效运行管护机制等重点任务，计划全部完成现有及新增约1.94万座病险水库除险加固，实施小型水库雨水情测报设施和小型水库大坝安全监测设施建设，对分散管理的小型水库全面实行专业化管护模式，推进水库管理规范化、标准化[5，6]。

近年来，江西省通过集中开展病险水库除险加固建设和轮序开展大坝安全鉴定，水库大坝安全管理取得明显成效，水库安全状况不断改善[7]。由于人工观测存在局限性，大坝安全风险依然存在，加快推进小型水库雨水情测报和大坝除险加固工作，是确保水库安全长效运行，充分发挥水库防洪减灾、供水保障和农业灌溉效益的重要举措[8]。结合水库坝型、规模、坝高、坝长、下游影响等，依据有关技术规范与标准，合理设置监测设施和开展除险加固项目建设[9]。水库除险加固，可以有效消除安全隐患，极大改善调洪蓄水能力，为防洪抗旱减灾发挥巨大作用[10-12]。

1 工程概况

1.1 基本情况

龙九水库位于江西省龙南县九连山林场，地处东经114°25'30″、北纬24°33'35″，坐落于桃江一级支流小溪水上游。枢纽建筑物主要由大坝、发电引水隧洞、电站厂房等组成，大坝坝型为浆砌石坝。水库总库容513万m3，设计灌溉面积27 hm2，电站装机4×630 kW，是一座以灌溉为主兼顾发电的小（1）型水库。因工程建设多年，在运行中暴露出的安全隐患较多，蓄水量逐年减少，已不能满足工业、农业和生态用水需求，在一定程度上影响了当地经济社会发展，被鉴定为“三类坝”即病险水库。

1.2 大坝加固的必要性

龙九水库于2005年12月动工兴建，2009年3月建成，同年4月开始蓄水。由于施工等多种原因，大坝存在一定的质量安全隐患，甚至危及大坝安全，严重影响应有效益的正常发挥。经安全鉴定查出水库存在诸多安全问题，需对大坝等建筑物进行彻底加固处理，从根本上解决工程存在的安全隐患，使水库能够安全运行并获得最大的经济效益。地勘资料及现场情况反映出大坝坝基存在局部渗漏现象，为提高大坝的防渗性能，对大坝结构进行稳定计算，结果显示，大坝在校核洪水位工况下，抗滑稳定安全系数小于规范要求最小值，大坝结构尚不够稳定。由于工程地理位置重要，一旦失事，将给下游人民的生命财产和国家设施造成重大损失。为保障下游人民生命财产安全、确保工程综合效益充分发挥，对水库进行除险加固处理、根除安全隐患是十分必要的。

2 大坝加固总体布置

本次大坝除险加固建设内容主要包括加固大坝、加高左右岸非溢流坝段以及重建启闭平台。加固后大坝为砌石重力坝，坝顶高程470.50 m，坝顶总长93 m。加高后左右岸非溢流坝段坝顶高程470.50 m，坝顶宽3.8 m，坝顶上、下游侧均增设镀锌钢管栏杆，高1.2 m。下游高程464.50 m 以上垂直，以下按坡比1∶0.8 采用C15 混凝土培厚。溢流坝段堰顶高程465.00 m，采用实用堰，下游坝坡1∶0.8，末端新建挑流消能设施，反弧半径6 m，挑角25°，坎顶高程443.32 m。拆除重建溢流堰及两侧导墙，对坝体及坝基进行灌浆处理，重建放空孔维修闸门启闭平台。

3 大坝加固方案

3.1 非溢流坝段加固

地勘资料及现场情况显示，大坝坝基存在局部渗漏现象。为提高大坝防渗性能，对坝基进行帷幕灌浆，对坝体进行充填灌浆。根据结构稳定计算，在校核洪水位工况下，大坝抗滑稳定安全系数小于相关规范要求最小值，大坝结构尚不够稳定，取消防浪墙，坝顶整体加高并培厚下游坝坡，以增加坝体稳定性。

非溢流坝段灌浆孔平行坝轴线布置，第一排灌浆孔位于加固后坝轴线，孔距2 m；其他排灌浆孔孔距3 m，排距4 m。第一排灌浆孔较基岩面高2 m，对坝基进行帷幕灌浆，帷幕灌浆孔布置与第一排充填灌浆孔相同。下游464.50 m 高程以下按1：0.8 坡比采用C15 混凝土培厚原坝体，纵横向布设Φ8@200钢筋，并设Φ20锚筋@2 m，锚固长度1 m。坝顶采用C15混凝土加高至高程470.50 m，取消防浪墙，坝顶宽3.8 m，坝顶上、下游侧均增设镀锌钢管栏杆，高1.2 m。

3.2 溢流坝段加固

3.2.1 防渗处理

鉴于大坝坝基存在局部渗透破坏现象，本次对坝基进行帷幕灌浆，并对坝体进行充填灌浆。溢流坝段灌浆孔平行于坝轴线布置，其技术要求与非溢流坝段一致。

3.2.2 溢流堰及下游堰面处理

大坝溢流堰堰顶浇筑较差，本次拆除重建溢流堰。根据结构稳定计算，在校核洪水位工况下，大坝抗滑稳定安全系数小于相关规范要求最小值，大坝结构尚不够稳定，本次培厚下游坝坡，以增加坝体稳定性。经计算，挑流消能设施挑距偏小，鼻坎高程偏低，本次新建挑流消能段。

加固后的溢流堰采用实用堰，堰头采用1/4 椭圆曲线，后接0.5 m 直线段。下游贴原坝体增设C30混凝土面板，按1∶0.8坡比与反弧段衔接，面板纵横向布设Φ8@200 钢筋，并设Φ20 锚筋@2 m，锚固长度1 m。末端新建C30混凝土挑流鼻坎，反弧半径6 m，挑角25°。

3.2.3 导墙重建

由于溢流坝两侧边墙存在施工质量差、高度不够等问题，因此拆除重建两侧边墙，新导墙起于非溢流坝段下游侧原坝顶（高程469.00 m），顶高程按坡度1∶0.75 采用C20 混凝土浇筑，至高程445.00 m 浇筑水平段至挑流段。

3.3 启闭平台重建

原启闭平台破损且设置不合理，本次拆除重新设置。新启闭平台采用大坝上游侧浇筑牛腿出挑型式，牛腿宽度0.4 m，顶面出挑长度1.5 m，外侧边缘高度0.8 m，底面倾角45°，高度2.3 m，两牛腿内边间距1.2 m，顶设厚200 mm 板，尺寸2 m×1.5 m，启闭机放置位置设置200 mm×500 mm 螺栓梁。放空孔检修闸门启闭设施不能正常运行，本次更换LQ-10 型手电两用螺杆启闭机及配套螺杆，并对闸门进行防腐处理。

4 方案复核分析

4.1 大坝稳定及应力复核分析

4.1.1 计算依据、条件及断面

大坝加固后计算依据、稳定安全系数、计算参数中的抗剪系数、混凝土容重、风速、泥沙淤积高程等均同现状复核，计算条件详见表1，加固后浆砌石容重取21 kN/m3。由于大坝加固对坝基进行了帷幕灌浆，根据《砌石坝设计规范》（SL25-2006）要求，结合工程实际情况，扬压力折减系数取0.7。

表1 龙九水库设计调洪成果

4.1.2 计算结果

大坝抗滑稳定及应力计算结果，详见表2—5。

表2 溢流坝段抗滑稳定计算结果

表3 非溢流坝段抗滑稳定计算结果

表4 非溢流坝应力计算结果

表5 溢流坝应力计算结果

由表2—5 可知，在各工况下，大坝抗滑稳定（∑W/∑M 值小于1），坝基应力（坝踵和坝趾的竖向应力）均满足相关规范的要求。

4.2 溢流坝水面线复核分析

校核洪水位（P=0.33%）工况下，上游水位为468.99 m，泄量为632 m3/s，相应下游水位为442.35 m；设计洪水位（P=3.33%）工况下，上游水位为468.08 m，泄量为420 m3/s，相应下游水位为441.37 m。以此计算溢流坝水面线及两侧边墙高度，计算结果详见表6—7。

表6 校核洪水位（P=0.33%）工况下溢流坝水面线及边墙高度计算结果

表7 设计洪水位（P=3.33%）工况下溢流坝水面线及边墙高度计算结果

4.3 溢流坝消能复核分析

根据《溢洪道设计规范》（SL253-2018），4 级消能防冲建筑物按20 a一遇洪水设计。龙九水库溢洪道消能方式为挑流消能，上游水位为467.90 m时，相应下泄流量为379 m3/s，相应下游水位为441.18 m。挑流水舌外缘挑距和冲刷坑最大水垫深度按下式进行计算：

式中：L1为总挑距（m）；L为自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距（m）；Lc为水面以下水舌长度的水平投影（m）；v1为鼻坎坎顶水面流速（m/s）；θ为挑流水舌水面出射角（°）；h1为挑流鼻坎末端法向水深（m）；h2为鼻坎坎顶至下游河床高程差（m）；T为自下游水面至坑底最大水垫深度（m）；g为重力加速度（m/s2）；k为综合冲刷系数，取0.8；q为鼻坎末端断面单宽流量（m2/s）；Z为上、下游水位差（m）；β为水舌外缘与下游水面的夹角（°），根据下式计算：

式中：ΔS为鼻坎顶端与下游水面的高差（m）；其余变量含义同上。

经计算，得L=28.36 m，Lc=7.32 m，总挑距L1=35.68 m，最大水垫深度T=5.62 m。

冲刷坑上游坡度按下式计算：

式中：i为冲刷坑上游坡度；ht为下游水深（m）；其余变量含义同上。

经计算，得i=1/7.83，允许的最大后坡ik=1/2.5～1/5，i＜ik，因此冲刷坑满足相关规范安全要求。

5 结语及建议

通过复核江西省龙南县龙九水库大坝加固方案，结果表明大坝抗滑稳定、坝基应力、新建边墙高度、挑流水舌外缘挑距和冲刷坑均满足相关规范要求，大坝加固方案是合理的。下一步，应强化设计变更、质量管理、工程验收等重点环节监管，进一步完善质量监管体系和安全责任制，在确保施工质量的前提下加快实施进度，充分发挥水库在经济、社会、生态等领域的多重效益，为推动产业发展、助力乡村振兴筑牢坚实的水利基础。