危承康

(江西省撫州市水電勘測設(shè)計(jì)院，江西 撫州 344000)

里橫電站大壩安全鑒定及加固處理

危承康

(江西省撫州市水電勘測設(shè)計(jì)院，江西 撫州 344000)

近年來，各地山區(qū)興建了許多小型水電站，撫州市小水電蓬勃發(fā)展，但因許多電站由外商以及私企開發(fā)，沒有正規(guī)設(shè)計(jì)與施工，為四無電站，以致大多電站建成后出現(xiàn)諸多隱患，給防洪工作帶來很大壓力。文章主要介紹里橫電站建成運(yùn)行后，工程存在的主要問題，鑒定大壩安全性，闡述大壩除險(xiǎn)加固采取的處理措施。通過對大壩安全進(jìn)行重新復(fù)核，確定對大壩進(jìn)行壩頂加高，新建WES型實(shí)用堰，兩壩肩下游進(jìn)行混凝土回填及固結(jié)灌漿處理。加固處理后工程運(yùn)行正常，工程效益得以正常發(fā)揮。

混凝土拱壩；應(yīng)力分析；拱座穩(wěn)定；重力墩；溢流堰；固結(jié)灌漿

1 工程概況

里橫電站位于江西省黎川縣德勝關(guān)境內(nèi)的里橫村張家陂，距縣城約20 km，距德勝關(guān)政府所在地1.8 km。

大壩座落于撫河流域黎灘河支流里橫水上，壩址以上集雨面積8.99 km2，設(shè)計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量160 kW，是一座以發(fā)電為主的小(2)型水電工程。電站于2003年10月興建，2004年2月建成并投入運(yùn)行。

樞紐工程主要建筑物有：混凝土拱壩、壩內(nèi)放水管、輸水發(fā)電隧洞、發(fā)電廠房。

拱壩體型基本參數(shù)為：拱壩為C15混凝土埋石壩，壩頂高程245.47 m，壩基高程229.27 m，最大壩高16.2 m，壩底寬2.95 m，厚高比0.182。壩頂弧長44.61 m，壩頂弦長38.55 m，河谷寬高比2.38，壩頂寬1.15 m，兩岸壩頂下游側(cè)設(shè)有50 cm高混凝土擋水。

頂拱外半徑24.175 m，頂拱最大中心角105.736°，底拱中心角18.34°，采用定圓心單曲拱。溢流壩段位于拱中心處，為壩身表孔開敞式泄流，溢流凈寬19.3 m，堰頂高程245.47 m。

壩內(nèi)放水管位于大壩右側(cè)壩體內(nèi)，內(nèi)襯鋼管，管徑50 cm，管中心高程233.0 m，管后設(shè)一只Z584T—50閘閥控制。

輸水發(fā)電隧洞位于大壩左側(cè)山體內(nèi)，隧洞全長265 m，縱坡1∶500，進(jìn)口閘式底板高程為235.0 m。洞身為城門洞型，尺寸為1.4×1.8 m，隧洞出口接壓力鋼管，鋼管伸入隧洞，與隧洞段用混凝土封堵，鋼管內(nèi)徑50 cm。

廠房布置于里橫水左岸河漫灘上，距大壩約300 m，采用地面引水式廠房。廠房為單層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為6 m×9 m，電站裝機(jī)160 kW。

2 工程存在問題

水庫自建成以后，工程已出現(xiàn)多處隱患，若不及時(shí)處理，將危及建筑物安全，給水庫下游造成嚴(yán)重?fù)p失[1]。

工程存在的主要問題有：

1)溢洪道泄流能力不夠，以至汛期壩頂過水，水流直接沖擊壩肩，兩壩肩山體已形成沖溝，局部壩腳懸空。

2)未設(shè)消能設(shè)施，水流沖擊壩腳，影響大壩安全。

3)大壩基巖裂隙發(fā)育，施工時(shí)未進(jìn)行灌漿處理，下游有大量黃泥析出[2]。

4)兩壩肩基礎(chǔ)差，施工時(shí)未達(dá)可利用基巖面，存在少量松動(dòng)塊石[3]。

2005年6月壩頂過水1 m多，沖刷兩壩肩，嚴(yán)重影響大壩安全，時(shí)刻危協(xié)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，對電站大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固迫在眉睫。

3 工程加固前安全復(fù)核

工程加固前安全復(fù)核內(nèi)容包括3項(xiàng)：大壩抗洪能力復(fù)核、大壩應(yīng)力復(fù)核和大壩拱座穩(wěn)定分析計(jì)算。

3.1 大壩抗洪能力復(fù)核

根據(jù)國家頒布的《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—94)規(guī)定，并結(jié)合工程實(shí)際情況，按20 a一遇設(shè)計(jì)，按100 a一遇洪水校核大壩的安全性；現(xiàn)狀設(shè)計(jì)洪水位(P=5%)為247.44 m，現(xiàn)狀校核洪水位(P=1%)為247.98 m。

大壩需要的壩頂超高，按下式計(jì)算：

△h=hb+hz+hc

(1)

風(fēng)浪要素hb及hz按下式計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

計(jì)算中采用吹程0.6 km，多年平均年最大風(fēng)速9.6 m/s，正常運(yùn)用條件風(fēng)速采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍，非常運(yùn)用條件風(fēng)速采用多年平均最大風(fēng)速。

經(jīng)計(jì)算所需最大壩頂高程為248.60 m，實(shí)際壩頂高程僅245.97 m，遠(yuǎn)低于計(jì)算所需壩頂高程，洪水直接過壩，沖擊兩壩肩，嚴(yán)重影響大壩安全[4]。

3.2 大壩應(yīng)力復(fù)核

壩體應(yīng)力、變形計(jì)算采用北京勘測設(shè)計(jì)院提供的拱壩通用程序GADAP28進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算對壩體拱梁網(wǎng)絡(luò)的劃分，采用10層水平拱，水平河谷一側(cè)加1根梁。

溫度荷載形成方式按規(guī)范方法。庫底平均溫度按8℃計(jì)。荷載組合分為基本組合和特殊組合二類。

1)基本組合包括3種類型：①正常蓄水位及相應(yīng)尾水位和設(shè)計(jì)正常溫降、自重、泥沙壓力；②正常蓄水位及相應(yīng)尾水位和設(shè)計(jì)正常溫升、自重、泥沙壓力；③設(shè)計(jì)洪水位及相應(yīng)尾水位和設(shè)計(jì)正常溫升、自重、泥沙壓力[5]。

2)特殊組合：校核洪水位及相應(yīng)尾水位和設(shè)計(jì)正常溫升、自重、泥沙壓力[5]。

經(jīng)計(jì)算，壩體出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為21.24 kg/cm2，最大拉應(yīng)力為13.72 kg/cm2。均在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，符合要求。

3.3 大壩拱座穩(wěn)定分析計(jì)算

拱壩壩基巖性主要為細(xì)質(zhì)砂巖，兩岸壩基基巖開挖較淺，基巖中主要發(fā)育兩組節(jié)理，其中大致平行河流方向的節(jié)理最發(fā)育，垂直河向的節(jié)理也有。

節(jié)理等結(jié)構(gòu)面互相切割，造成壩肩巖體完整性較差。右壩肩巖層傾后河床，壩肩基巖中有多組節(jié)理分布，其中以平行河流向的節(jié)理為主，部分垂直坡向的節(jié)理裂隙分布，尤其微張開的裂隙對岸坡穩(wěn)定不利[6-7]。深部微～新基巖中的節(jié)理等結(jié)構(gòu)面大都呈閉合狀，沒有發(fā)現(xiàn)控制巖體整體穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面。

整個(gè)壩基巖完整性較差，穩(wěn)定分析時(shí)采用剛體極限平衡法中的空間矢量代數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，分析中假定壩肩滑移體為四面體，由前裂面P1、側(cè)裂面P2、底滑面P3及臨空面P4構(gòu)成。

計(jì)算出滑移體各結(jié)構(gòu)面面積，四面體重量及滲透壓力。拱端作用力由拱壩應(yīng)力分析結(jié)果求得，并計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)。

選取滑動(dòng)四面體采用沿頂拱拱端上游面切向取為前裂面，前裂面傾角為90°，側(cè)裂面通過頂拱拱端上游點(diǎn)的鉛直面，夾角取值為0°，5°，10°，15°等，以求出安全系數(shù)最小值，底滑面為水平面，各取拱圈高程。

各層拱圈計(jì)算時(shí)，側(cè)裂面及底滑面摩擦系數(shù)f=0.60，按剪摩公式計(jì)算時(shí)，側(cè)裂面及底滑面的摩擦系數(shù)和凝聚力取f′=0.75，C′=0.3 MPa。

經(jīng)計(jì)算，純摩公式計(jì)算的最小安全系數(shù)為0.97，剪摩公式計(jì)算的最小安全系數(shù)為3.50，接近規(guī)范允許值，拱座穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，拱座穩(wěn)定存在安全隱患[8-9]。

4 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)內(nèi)容有以下5項(xiàng)：工程等級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)及總體布置、大壩壩頂加高處理、大壩兩壩肩新建重力墩、溢流壩段改造和兩壩肩下游側(cè)沖溝處理。

4.1 工程等級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)及總體布置

里橫電站為小(2)型水電工程，大壩為混凝土拱壩。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)的規(guī)定：本工程等別為Ⅴ等；水工建筑物級(jí)別：永久性主要建筑物為5級(jí)，永久性次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。永久性主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇；永久性次要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇；臨時(shí)性建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)采用5 a一遇。根據(jù)現(xiàn)場安全檢查與分析上述工程現(xiàn)狀復(fù)核成果，本次加固設(shè)計(jì)對大壩進(jìn)行加固處理。確定的主要加固設(shè)計(jì)項(xiàng)目有：大壩壩頂加高處理；大壩兩壩肩新建重力墩；溢流壩段改造；兩壩肩下游側(cè)沖溝處理。

4.2 大壩壩頂加高處理

由于大壩防洪要求不滿足要求，大壩壩頂過水，本加固設(shè)計(jì)對兩邊非溢流壩段進(jìn)行加高處理，加高壩沿頂拱圈弧線布置，采用C15混凝土澆筑，寬1.15 m，高2.13 m，加高后壩頂高程247.60 m。

壩頂上游邊設(shè)置60 cm高C15混凝土防浪墻，墻厚25 cm，下游邊設(shè)置欄桿，欄桿采用Φ8管鋼。澆筑新壩體前，應(yīng)對新老壩體間的接合面進(jìn)行鑿毛并沖洗。

4.3 大壩兩壩肩新建重力墩

本次大壩加高后，大兩側(cè)岸坡新建C15混凝土重力墩，重力墩沿頂拱拱圈切線方向布置，其中左側(cè)墩長3.5 m，右側(cè)墩長3.6 m。

重力墩頂與壩頂齊高，并設(shè)置防浪墻，墩頂寬1.15 m，上游面鉛直，下游面為1∶0.4斜坡。重力墩基礎(chǔ)應(yīng)開挖至可利用基巖，并對基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

4.4 溢流壩段改造

原溢流壩溢流堰為折線型實(shí)用堰，泄流能力小，且下游出口為跌流，水流直接沖擊壩腳，影響大壩安全，固本次設(shè)計(jì)對溢流壩段進(jìn)行改造。

改造后溢流堰堰面為WES堰型，堰頂高程為245.47 m，堰頂高現(xiàn)狀壩頂上游邊，溢流段平面收縮角為49.77°，中心線與拱中心線重合，溢流凈寬21 m，

下游出口凈寬18.73 m。下游出口設(shè)置挑流鼻坎，挑角15°，兩邊設(shè)置邊墩，為C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.5 兩壩肩下游側(cè)沖溝處理

由于壩頂過水，兩壩肩下游側(cè)已被沖毀，并形式?jīng)_溝，局部壩基懸空，固本次設(shè)計(jì)對兩壩肩下游沖溝采用C15混凝土回填處理，并對壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

回填混凝土表面使與現(xiàn)狀山體表面齊平，回填混凝土與基巖接處面設(shè)置錨筋，錨筋伸入基巖≥1.5 m，間距為2 m。固結(jié)灌漿孔在混凝土澆筑前預(yù)埋，孔深≥3 m，間距1.5 m，平行壩軸線布2排，在混凝土澆筑到一定厚度后進(jìn)行灌漿。

灌漿材料為水泥砂漿，灌漿壓力應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，一般應(yīng)≥0.3 MPa。

5 結(jié) 語

除險(xiǎn)加固后，兩壩肩通過混凝土回填與固結(jié)灌漿，基巖整體提高，解決了拱座穩(wěn)定隱患問題。

采用WES堰型進(jìn)行改建溢洪道增大泄流能力，且兩側(cè)加高非溢流壩壩頂，洪水泄入原河床部位，兩壩肩壩腳不再受到水流沖刷。

工程目前運(yùn)行正常，解除了對下游人民生命財(cái)產(chǎn)威脅，使電站正常發(fā)揮其效益。

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1007-7596(2014)12-0108-03

2014-07-27

危承康(1977-)，男，江西撫州人，工程師。

TV698.23；TV697.3

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