王 鑫

（撫州市城市用水管理辦公室，江西 撫州 344000）

0 引言

確保水庫安全運行需要定期開展水庫大壩安全評價，及時掌握工程的安全狀況，并對出現(xiàn)病險的水庫及時采取控制和除險加固[1]。全面地開展水庫安全評價工作，準確提出大壩、溢洪道、輸水涵管等建筑物存在的問題和安全形態(tài)，為水庫大壩安全鑒定、水庫除險加固設(shè)計提供科學決策依據(jù)[2]，可保障水利工程安全運行效益的發(fā)揮。豐儀山水庫從壩體防洪設(shè)計標準、結(jié)構(gòu)安全及附屬設(shè)施現(xiàn)狀等方面展開評價，依據(jù)相應(yīng)的評估結(jié)論設(shè)計了科學、經(jīng)濟的加固方案，為水庫除險加固工作提供思路。

1 工程安全評估

1.1 工程概況

豐儀山水庫位于撫州市東鄉(xiāng)縣楊橋鎮(zhèn)園藝場，距東鄉(xiāng)縣城約20 km，壩址坐落在信江水系東鄉(xiāng)河支流上。壩址以上集雨面積1.00 km2，主河道長1.66 km，河道比降0.0071，總庫容為68.76×104m3，設(shè)計灌溉面積400畝，實際灌溉面積350畝，是以灌溉為主，防洪、養(yǎng)殖兼顧的綜合利用性小(二)型水利工程。

1.2 安全評估

根據(jù)地勘報告及設(shè)計安全復核，按《江西省?。?）型水庫大壩安全評估技術(shù)規(guī)定》豐儀山水庫大壩屬Ⅲ類壩，不能安全運行，必須盡快對水庫大壩、溢洪道及附屬設(shè)施進行除險加固，恢復正常運行。

豐儀山水庫經(jīng)評估主要存在以下幾方面問題。

1.2.1 壩體高程

大壩為粘土均質(zhì)壩，壩頂高程48.45 m～48.79 m，頂寬4.90 m～5.50 m。上游壩坡坡比為1∶2.35，下游壩坡坡比為1∶2.6。水庫設(shè)計洪水標準為10年一遇，校核洪水標準為50年一遇。計算壩體超高結(jié)果見表1。

表1 壩頂高程安全復核表

由表可見，現(xiàn)狀壩頂高程達不到規(guī)范要求，需統(tǒng)一壩頂高程為49.35 m。

1.2.2 壩體結(jié)構(gòu)

大壩為均質(zhì)土壩，上游無護坡，壩體土質(zhì)差，填筑質(zhì)量不滿足要求，壩底清基不徹底，無排水設(shè)施。

1.2.3 附屬設(shè)施

溢洪道現(xiàn)狀為土渠，底板及邊坡均未護砌，且進口控制段兩岸邊坡因人為取土而被拓寬，且邊坡坍塌嚴重,末端無消能防沖設(shè)施。涵管進口斜臥管混凝土老化，破損嚴重，無法正常放水。平管為混凝土預制圓涵，混凝土老化破損，接縫漏水水庫無水、雨情觀測設(shè)施和大壩安全監(jiān)測設(shè)施，無通訊交通工具，影響防汛搶險。

2 除險加固方案

針對安全評估存在的問題，對水庫進行除險加固，配備相應(yīng)的管理設(shè)施，確保水庫大壩正常安全運行。

2.1 大壩加固設(shè)計方案

2.1.1 壩頂整治方案

通過壩頂高程復核計算，目前壩頂高程不能滿足設(shè)計洪水、校核洪水的安全需要。本次設(shè)計壩頂高程需49.35 m，壩頂寬度4.00 m，兩側(cè)設(shè)50 cm×25 cm的C20砼路肩石。為了改善大壩的防汛交通條件，結(jié)合水庫的運行管理要求，壩頂設(shè)置砼路面寬3.5 m，路面傾向下游設(shè)2%的橫坡，厚度為20 cm。

2.1.2 壩坡整治方案

大壩現(xiàn)狀上游壩坡無護坡，下游壩坡為草皮護坡，本次設(shè)計對上游坡設(shè)計洪水位以上0.5 m至死水位采用厚0.1 m的砼預制塊護坡，下設(shè)厚0.1 m的砂卵石墊層，以上采用草皮護坡。根據(jù)工程的實際情況，上游護坡選砼預制塊和干砌塊石兩種方案進行綜合比較。

（1）干砌塊石護坡（方案Ⅰ）

砌石護坡厚度參照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》公式計算，見式（1）:

式中:D為石塊的換算球形直徑，m；Kt為隨坡率變化的系數(shù)，查表取值 1.3；ρk為塊石密度，t/m3；取 ρk＝1.8；ρw為水的密度，t/m3；ρw＝1.0；m為坡度，m=3.00；hp為累積頻率為10%的設(shè)計波浪高度，hp＝0.471m；t為護坡厚度，m。

經(jīng)計算得:D=0.186 m，t=0.261 m，根據(jù)干砌塊石護坡的構(gòu)造要求及施工技術(shù)要求，取干砌塊石護坡厚度t=0.3 m，護坡下采用0.10 m厚砂礫石墊層。

（2）砼預制塊護坡（方案Ⅱ）

方案Ⅱ為正六邊形砼預制塊護坡，砼強度為C15，邊長0.3 m，參照式（2）計算預制砼護坡板厚

式中:η為系數(shù)，裝配式取η=1.1；b為沿護坡板向長度，b=0.52 m（分縫間距）；ρc為板的密度，取 ρc=2.4 t/m3；ρw為水的密度，取ρw=1.0 t/m3；hp為累積頻率為 1%的波高，hp＝0.584 m；Lm為平均波長，Lm＝7.42 m；m為護坡坡率，m=3.00。

（3）方案比選

以面積1 m2進行兩方案工程量及造價比較，見表2。

表2 兩方案工程量及造價比較表

從表2中比較結(jié)果可知，混凝土預制塊護坡（方案Ⅰ）比干砌塊石護坡（方案Ⅱ）多6.44元/m2，但方案Ⅱ比方案Ⅰ施工干擾少，質(zhì)量更容易控制，外形美觀，本次加固設(shè)計選取砼預制塊護坡（方案Ⅱ）為大壩上游護坡方案。

2.2 溢洪道除險方案

根據(jù)溢洪道的工程現(xiàn)狀及安全評價結(jié)論，溢洪道除險加固的主要任務(wù)是完建溢洪道，出口新建消力池。

2.2.1 溢洪道邊墻

溢洪道進口段及控制段因人為取土被拓寬，地形平坦，現(xiàn)狀為土渠，溢洪道基礎(chǔ)為坡殘積土層，具有弱透水性，抗沖刷能力差。設(shè)計完建溢洪道，由于溢洪道進口段、控制段及大部分泄槽段均需回填土方，施工時壓實度要求較高，邊墻墻背承受土壓力較大，故采用C20砼擋墻。

2.2.2 溢洪道消力池設(shè)計

根據(jù)地形地質(zhì)條件，采用挖深式消力池銜接陡槽，水流進入消力池底流消能，消力后設(shè)泄洪渠。消力池底板高程為44.68 m，設(shè)計下泄流量按10年一遇2.63 m3/s。先根據(jù)前節(jié)所用方法計算出陡槽出口h1=0.05 m，V1=9.40 m/s。消力池底板采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，邊墻為重力式擋土墻，頂寬0.3 m，背水面1∶0.35；消力池底板厚0.30 m，底板縱向設(shè)3排φ50排水孔，排距3.0 m。

2.3 壩下涵管除險加固設(shè)計

2.3.1 涵管工程布置

根據(jù)施工要求及地質(zhì)條件，現(xiàn)對進口斜臥管拆除重建，開挖重建壩下涵管。根據(jù)地質(zhì)條件以及與下游渠道的銜接，將涵管管線與大壩交線處樁號為0+030，涵管進口底板高程保持高程43.45 m不變。

2.3.2 涵管結(jié)構(gòu)設(shè)計

涵管進口采用斜管控制，級差為0.4 m，臺階寬1.4 m,放水孔徑為Φ20 cm。斜涵為直徑0.6 m預制砼管外包砼0.20 m厚。壩下涵管長31.5 m，涵管分4節(jié)，前3節(jié)長均為9.0 m，第4節(jié)長4.5 m。進口段長4.4 m，消力池長3.8 m。平涵進水口處設(shè)閘門，閘門均采用雙預制閘門中間回填粘土結(jié)構(gòu)。洞身分縫均設(shè)銅片止水一道，并在接縫外包鋼筋混凝土截水環(huán)，斷面為0.4 m×0.4 m。

3 加固后壩體穩(wěn)定計算

3.1 計算斷面

結(jié)合地質(zhì)鉆探孔位布置和大壩結(jié)構(gòu)特點，計算選取最大壩高斷面作為計算斷面，計算斷面圖經(jīng)簡化處理見圖1。

圖1 計算斷面模型圖

3.2 計算方法及工況

大壩壩坡穩(wěn)定計算可采用瑞典圓弧法，穩(wěn)定滲流期按有效應(yīng)力法計算壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)，非穩(wěn)定滲流期分別按總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法計算壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)。計算工況取為穩(wěn)定滲流期正常運用情況和非正常運用情況組合。

3.2.1 正常運用條件

正常工況:上游水位為正常蓄水位47.00 m，下游地面高程。

設(shè)計工況:上游水位為設(shè)計洪水位47.42 m，下游地面高程。

3.2.2 非常運用條件校核工況:上游水位為校核洪水位47.61 m，下游地面高程。庫水位非常降落1:上游水位從校核洪水位47.61 m驟降至溢洪道堰頂高程47.00 m處。

庫水位非常降落2:上游水位從正常蓄水位47.00 m驟降至壩前1/3高程44.20 m。

3.3 計算成果

3.3.1 穩(wěn)定滲流期下游壩坡穩(wěn)定計算

計算結(jié)果表明，大壩設(shè)計水位和正常水位兩種工況下形成穩(wěn)定滲流時，三個計算斷面下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范值1.15，滿足規(guī)范要求；校核水位工況下形成穩(wěn)定滲流時，三個計算斷面下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范值1.05，達到規(guī)范要求。壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)的變化符合斷面所取位置及斷面的一般規(guī)律，見圖2、圖3。

圖2 下游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果（正常蓄水位）

圖3 下游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果（設(shè)計洪水位）

3.3.2 庫水位降落期上游壩坡的穩(wěn)定計算

計算結(jié)果表明，庫水位從校核水位47.61 m降至溢洪道堰頂高程47.00 m時，大壩計算斷面上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法計算均大于規(guī)范值1.05，滿足抗滑穩(wěn)定要求；庫水位從正常水位47.00 m降至壩前1/3高程44.20 m時，計算斷面上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法計算大于規(guī)范值1.05，滿足抗滑穩(wěn)定要求，見圖4、圖5。

圖4 非常降落1上游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

圖5 非常降落2上游壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

4 結(jié)語

水庫大壩安全評價是做好安全鑒定和設(shè)計除險加固方案的前提。安全評價需要專家組現(xiàn)場檢查、資料整理復核、各部位專項計算驗證，最終得出科學的評價結(jié)論。豐儀山水庫大壩在前期資料的基礎(chǔ)上完成了各專項計算驗證，水庫綜合評估為三類壩。同時采取針對性的設(shè)計方案，按照壩體、溢洪道、壩下涵管等附屬設(shè)施設(shè)計了相關(guān)除險方案，并完成加固后的穩(wěn)定計算驗證，在滿足安全運行要求的前提下節(jié)省了方案的技術(shù)經(jīng)濟成本。