魯彥佑

（橫山縣水庫移民管理辦公室陜西橫山719100）

喇嘛畔水庫大壩穩(wěn)定分析及加固設(shè)計(jì)

魯彥佑

（橫山縣水庫移民管理辦公室陜西橫山719100）

本文通過分析喇嘛畔水庫基本概況和大壩病險(xiǎn)問題，對(duì)大壩除險(xiǎn)加固的方法進(jìn)行了探討，提出采用簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)加固后大壩的穩(wěn)定性進(jìn)行論證，以確保除險(xiǎn)加固后的水庫大壩安全穩(wěn)定。

水庫大壩；穩(wěn)定分析；方案設(shè)計(jì)

1　概況

喇嘛畔水庫位于橫山縣雷龍灣鄉(xiāng)永忠村，所在河流無定河支流黑河。喇嘛畔水庫總庫容55萬m3。該水庫于1971年3月動(dòng)工修建，于1972年8月竣工，是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉、防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的?。ǘ┬退畮?。喇嘛畔水庫控制流域面積10km2，主溝道長(zhǎng)4.2km，河道平均比降4‰。水庫流域?qū)亠L(fēng)沙區(qū)與黃土丘陵溝壑區(qū)過渡地帶，風(fēng)沙區(qū)波狀沙丘起伏不平，相對(duì)高差不大；過渡區(qū)相對(duì)溝谷發(fā)育，地形破碎、植被差。該水利樞紐區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。

水庫由當(dāng)時(shí)的雷龍灣鄉(xiāng)永忠村組織群眾興建，是一座典型的三無水庫。1972年8月竣工后，也沒有留下任何竣工文件和圖紙。1982年陜西省水利廳組織“三查三定”，核定該水庫屬?。ǘ┬廷醯裙こ?。防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)和200年一遇洪水校核。

樞紐工程主要由大壩、放水建筑物組成。大壩為水力充填均質(zhì)沙土壩，最大壩高7.84m，壩頂長(zhǎng)258m，壩頂寬12.46m，大壩迎水坡坡比為1∶2.1，背水坡坡比為1∶1.8。喇嘛畔水庫投入運(yùn)行39年來，發(fā)揮了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2　水庫大壩存在的主要問題

喇嘛畔水庫屬典型的三無水庫，截止目前庫區(qū)共攔截泥沙6萬m3，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，庫水位相應(yīng)抬高，大壩出現(xiàn)了不少隱患，嚴(yán)重影響著大壩的安全。根據(jù)《大壩安全鑒定報(bào)告書》，設(shè)計(jì)人員對(duì)水庫大壩進(jìn)行了較全面、系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)查勘，確認(rèn)喇嘛畔水庫大壩目前存在以下防洪安全及工程質(zhì)量問題：

（1）大壩上游坡未砌護(hù)，受庫水風(fēng)浪淘刷嚴(yán)重；大壩迎水坡坡面不平整，沒有防護(hù)措施，受庫水風(fēng)浪淘刷已形成0.5m～1m高的陡坎；

（2）大壩下游壩坡無排水設(shè)施沖溝現(xiàn)象嚴(yán)重；背水坡坡面高低不平、雜草叢生，無排水溝，有沖溝及動(dòng)物洞穴；

（3）現(xiàn)有放水設(shè)施坍塌毀壞嚴(yán)重，不能正常運(yùn)行；

（4）無管理設(shè)施，無防汛、搶險(xiǎn)設(shè)備；進(jìn)壩防汛路坑凹不平，難以滿足防汛搶險(xiǎn)的要求。

按《水庫大壩安全鑒定辦法》規(guī)定，該水庫應(yīng)立即進(jìn)行除險(xiǎn)加固，使水庫盡快達(dá)到核定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并能按設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行。

3　大壩加固設(shè)計(jì)

3.1壩頂高程復(fù)核

喇嘛畔水庫設(shè)計(jì)洪水位為988.934m，校核洪水位為992.185m，依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274—2001）規(guī)定，壩頂高程等于水庫靜水位與超高之和。應(yīng)分別按以下情況計(jì)算，取其最大值：

設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用條件的壩頂超高；校核洪水位+非常運(yùn)用條件的壩頂超高；正常蓄水位+正常運(yùn)用條件的壩頂超高。壩頂超高及設(shè)計(jì)壩頂高程計(jì)算成果見表3-1。

表3-1　壩頂高程復(fù)核計(jì)算成果表

表3-2　大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

圖3-1　原狀正常蓄水位上游坡穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3-2　原狀正常蓄水位下游坡穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

從表3-1中可以看出：大壩在遭遇20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，設(shè)計(jì)洪水位988.934m，計(jì)算壩頂高程為990.51m，小于現(xiàn)狀壩頂高程992.34m；遭遇200年一遇校核洪水時(shí)，校核洪水位992.185m，計(jì)算壩頂高程為993.34m，高于現(xiàn)狀壩頂高程（992.34m）1.0m。由此可知，現(xiàn)狀壩頂高程不滿足200年一遇洪水防洪要求。

3.2穩(wěn)定計(jì)算

通過穩(wěn)定計(jì)算，驗(yàn)算分析壩體上下游邊坡在各種工況下的穩(wěn)定性，進(jìn)而為判斷壩坡是否穩(wěn)定提供主要依據(jù)。依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)水庫大壩進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。在各種計(jì)算工況下，大壩穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)結(jié)果見表3-2。穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖3-1、3-2。

根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果看，原壩正常高水位上游壩坡計(jì)算的安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)最小值，故原壩正常高水位上游壩坡滿足壩坡穩(wěn)定的要求；原壩正常高水位下游壩坡計(jì)算的安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)最小值，故原壩正常高水位下游壩坡不滿足壩坡穩(wěn)定的要求。

3.3大壩加固方案

根據(jù)大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)及壩頂高程復(fù)核結(jié)果，擬加高大壩1.0m，即從現(xiàn)狀高程992.34m加高到校核條件下計(jì)算壩頂高程993.34m。

3.3.1大壩壩頂及壩坡設(shè)計(jì)

根據(jù)壩址處兩岸的地形條件，結(jié)合大壩工程現(xiàn)狀，擬將壩軸線下移0.54m，壩頂高程達(dá)到993.34m?，F(xiàn)狀下游壩坡不滿足穩(wěn)定要求，設(shè)計(jì)對(duì)上下游坡培厚和整修。結(jié)合壩坡整修，本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)考慮到節(jié)省投資、并參考相似水庫，設(shè)計(jì)壩頂寬度為6.0m，壩頂長(zhǎng)度331m，上游壩坡坡比結(jié)合砌護(hù)坡取1∶2.5。下游培厚坡比為1:2.0。壩頂路面采用20cm厚砂礫石處理，上、下游側(cè)設(shè)置厚度為0.15m的砼路緣石。

3.3.2迎水坡改造處理

原大壩上游壩坡未砌護(hù)，受庫水風(fēng)浪淘刷嚴(yán)重，隨著泥沙淤積和庫水位的抬高，壩坡淘刷破壞有進(jìn)一步加劇的可能，對(duì)大壩安全運(yùn)行不利；大壩上下游壩坡無排水設(shè)施沖溝現(xiàn)象嚴(yán)重；為了充分發(fā)揮水庫的綜合效益，保證水庫安全可靠的運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)對(duì)水庫上游進(jìn)行護(hù)坡處理。上游壩坡采用10cm厚的預(yù)制C15砼六棱塊砌護(hù)，下部鋪設(shè)20cm厚的砂礫料墊層。底高程至設(shè)計(jì)正常蓄水位988.00m以下0.8m，在正常蓄水位988.00m處設(shè)2m寬的戧臺(tái)，戧臺(tái)以下進(jìn)行水中填土，形成1∶8.0的坡比。3.3.3背水坡加固處理及增設(shè)排水系統(tǒng)

原大壩下游坡坡面破損不整、且無排水系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)對(duì)下游坡進(jìn)行植物護(hù)坡，種植耐干旱、固沙效果好，適宜于陜北地區(qū)生長(zhǎng)的檸條、沙棘、紅柳、沙打旺等低矮灌木叢。下游壩坡、兩側(cè)岸坡及公路邊設(shè)置縱橫向排水溝，采用M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)，下游坡角設(shè)反濾護(hù)坡。

4　大壩加固后穩(wěn)定計(jì)算分析

4.1大壩的穩(wěn)定性分析

水庫原大壩上游壩坡滿足壩坡穩(wěn)定的要求，下游壩坡計(jì)算的安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)最小值，故下游壩坡不滿足壩坡穩(wěn)定的要求，加固改造后上游壩坡坡比整修為1∶2.5，下游壩坡坡比為1∶2.0，同時(shí)對(duì)上下游進(jìn)行了護(hù)坡處理，整修后需對(duì)上下游壩坡重新進(jìn)行壩坡穩(wěn)定復(fù)核。

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，采用簡(jiǎn)化畢肖普法，根據(jù)滲流在背水坡坡腳出現(xiàn)的時(shí)間T和水庫本身洪水歷時(shí)，判斷庫水位在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí)是否存在穩(wěn)定滲流情況，計(jì)算公式如下：

表4-1　壩坡穩(wěn)定計(jì)算巖土物理力學(xué)指標(biāo)

表4-2　加固后壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

圖4-1　加固后正常蓄水位壩坡穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：k——土體滲透系數(shù)，采用大值平均值或試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的較大值（m/s）；

n0——土的有效空隙率；

n——空隙率；

Sw%——飽和度。

結(jié)合水庫實(shí)際運(yùn)行情況穩(wěn)定分析計(jì)算工況如下：加固后壩體設(shè)計(jì)正常蓄水位時(shí)上游壩坡穩(wěn)定，加固后壩體設(shè)計(jì)正常蓄水位時(shí)下游壩坡穩(wěn)定。依據(jù)地勘資料提供的壩體土物理力學(xué)性質(zhì)及滲透性指標(biāo)建議值選用，確定本次穩(wěn)定分析的具體參數(shù)見表4-1。

大壩穩(wěn)定分析計(jì)算按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274－2001）要求，采用簡(jiǎn)化畢肖普法，采用“北京理正設(shè)計(jì)公司邊坡穩(wěn)定分析軟件”進(jìn)行計(jì)算。土體的抗剪強(qiáng)度采用有效應(yīng)力法指標(biāo)。計(jì)算斷面與滲流計(jì)算斷面一致，采用大壩最大斷面。在各種計(jì)算工況下，大壩穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)結(jié)果見表4-2。

穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖4-1。

根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果看，加固后大壩正常蓄水位上下游坡計(jì)算的安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)最小值，故加固后大壩正常蓄水位上下游壩坡滿足壩坡穩(wěn)定的要求。

4.2大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

喇嘛畔水庫自建成至今已運(yùn)行39年，始終沒有進(jìn)行過任何系統(tǒng)的工程觀測(cè)，庫區(qū)沒有雨量站、水文站，水庫亦未設(shè)進(jìn)出庫流量觀測(cè)設(shè)施。其現(xiàn)狀既無法滿足大壩自身安全監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，也不符合《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL60-94）的要求。

為確保大壩安全運(yùn)行，建立一套比較完善的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。根據(jù)喇嘛畔水庫除險(xiǎn)加固工程的實(shí)際情況，結(jié)合大壩特點(diǎn)只進(jìn)行水文、氣象觀測(cè)設(shè)計(jì)：水文、氣象觀測(cè)項(xiàng)目包括上游水位和降雨量觀測(cè)。設(shè)計(jì)在在上游庫區(qū)適當(dāng)位置布置水位觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)；在合適部位布置1個(gè)降雨量觀測(cè)點(diǎn)。水位采用水尺觀測(cè)，用雨量筒觀測(cè)降雨量。

5　結(jié)語

通過對(duì)喇嘛畔水庫大壩存在的影響水庫安全運(yùn)行的隱患與缺陷進(jìn)行除險(xiǎn)加固，使其達(dá)到國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，保證水庫按功能要求安全正常運(yùn)行，發(fā)揮應(yīng)有的效益。加固后可恢復(fù)灌溉面積為3000畝，灌溉效益為32.16萬元。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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