宋兵偉

（大連河海水利水電勘測設(shè)計有限公司，遼寧 大連 116021）

1 前言

截止到2005年底，遼寧省包括小型水庫在內(nèi)，全省共有三類病險水庫265 座，占全省水庫的28.5%，其中大型病險水庫13 座，中型水庫36 座，小型水庫216 座，分別占大、中、小型水庫的48%、51%和26%［1]。大規(guī)模病險水庫的存在，已經(jīng)嚴重威脅著下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活財產(chǎn)的安全，加劇了水資源的供需矛盾，嚴重影響了區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展、城鄉(xiāng)供水、環(huán)境效益的發(fā)揮，因此加快大、中、小型病險水庫的除險加固［2-4]工作刻不容緩。

近年來，國家發(fā)展改革委、財政部共安排資金1553 億元，對2800 多座大中型和6.9 萬多座小型病險水庫進行了除險加固，切實保障了水庫安全，有效發(fā)揮了水庫防洪、供水、灌溉等綜合效益，但是隨著時間的推移，許多水庫接近或達到設(shè)計使用年限，或因超標洪水、地震等原因，工程老化、損毀，仍有部分水庫陸續(xù)進入病險行列。按照中央要求，對現(xiàn)有病險水庫，2025年底要全面完成除險加固，對新出來的病險水庫，及時除險加固。而且2020年，我國遭遇了歷史上較為嚴重的洪澇災(zāi)害，許多水庫尤其是小型水庫受到影響，因此加強病險水庫除險加固已成當(dāng)務(wù)之急。

2 新房水庫工程概況

新房水庫座落在莊河市大營鎮(zhèn)新房村境內(nèi)，系新房河流域。新房水庫始建于1958年7月，壩址以上集雨面積6.4 km2，壩址以上河長5.56 km，河道平均比降21.56‰。水庫總庫容為190.03 萬m3，是一座以防洪、灌溉為主的?。?）型水庫。

根據(jù)現(xiàn)場安全檢查并結(jié)合大壩建設(shè)時的原始資料，及建成后的運行情況，水庫大壩為粉質(zhì)粘土心墻壩，心墻頂高程為51.4 m，心墻頂至壩頂為均質(zhì)壩。

新房水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞等工程組成。

大壩為粘土心墻壩，壩長186 m，最大壩高17.42 m，現(xiàn)狀壩頂高程55.61 m，壩頂寬4 m，為混凝土路面，防浪墻高0.9 m。大壩上游為干砌石護坡，邊坡比1∶2.4、1∶4.4；下游坡為草皮護坡，坡比1∶2.1、1∶2.3、1∶2.0，下游坡腳處有棱體排水體。

水庫正常蓄水位為52.01 m，設(shè)計洪水標準為30年一遇，相應(yīng)設(shè)計洪水位為54.02 m；校核洪水標準為300年一遇，相應(yīng)校核洪水位54.83 m。

2019年5 月，新房水庫被鑒定為三類壩，其主要問題為大壩的防滲體系不完善，原始資料記載的心墻頂高程低于正常蓄水位，且曾在正常運行工況時下游出現(xiàn)過大面積的滲水現(xiàn)象，因此認為新房水庫存在嚴重的質(zhì)量缺陷和問題，嚴重影響了工程安全，工程質(zhì)量評為不合格。

安全鑒定后，新房水庫被列為大連市、莊河市重點病險水庫，引起了相關(guān)部門的關(guān)切和關(guān)注。2020年1月，大連市水務(wù)局成立專家組對新房水庫進行安全鑒定核查，確認了安全鑒定的成果，進一步確認了大壩防滲體頂高程不足，大壩抗洪能力不滿足規(guī)范要求，水庫大壩工程防洪安全性評為C 級；由于防滲體頂高程低于正常蓄水位，且未與防浪墻緊密結(jié)合，工程的防滲設(shè)施不完善，存在嚴重質(zhì)量缺陷，影響大壩安全，因此大壩滲流性態(tài)不安全，評為C 級。因此核查建議復(fù)核防滲體位置和尺寸后，對其進行除險加固。

3 水文和地質(zhì)情況

3.1 水文情況

新房水庫所在流域內(nèi)無洪峰流量水文觀測站和雨量觀測資料，屬于無資料地區(qū)。依據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》（SL 44-2006）中規(guī)定：可以從經(jīng)過審批的暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖上查算工程所需歷時的設(shè)計點暴雨量。

本次設(shè)計采用1998年遼寧省水文水資源勘測局編制的《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》（以下簡稱《計算方法》）中集水面積小于300 km2的設(shè)計洪水計算方法。

流域面積：F=6.4 km2；河長：L=5.56 km；河道比降：J=21.56‰；水文分區(qū)：屬于Ⅲ2 區(qū)。

調(diào)洪計算后，所得到的不同頻率時的洪水成果見表1。

表1 水庫洪水調(diào)節(jié)計算成果表

3.2 地質(zhì)情況

根據(jù)水庫安全鑒定和核查結(jié)論，新房水庫的粘土心墻防滲體在大壩內(nèi)部的位置和尺寸成為除險加固防滲方案的關(guān)鍵。為此莊河宏偉地質(zhì)勘察工程有限公司在2020年3月30對新房水庫除險加固工程進行詳細勘察，重點勘查防滲體的位置及連續(xù)狀態(tài)，最終形成地質(zhì)勘察報告，主要地質(zhì)情況如下：

（1）新房水庫為低山丘陵區(qū)，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃為0.40 s；

（2）壩體部分：砂土（壩殼土）整體碾壓較好，質(zhì)量好，滲透系數(shù)平均值k=8.10×10-4cm/s，為中等透水；局部粉質(zhì)粘土（心墻土）物理力學(xué)性質(zhì)較好，滲透系數(shù)平均值k=4.65×10-5cm/s，為弱透水，但其分布極不連續(xù)，大壩縱向和橫向均未形成連續(xù)的防滲體。

（3）壩基部分：礫砂層，透水性好，是壩基的主要滲漏通道；全風(fēng)化細粒黑云母二長花崗巖透水率7.0 Lu～8.2 Lu，透水性等級為弱透水；壩基巖石強度較大，工程性質(zhì)良好，穩(wěn)定性較好，中風(fēng)化細粒黑云母二長花崗巖透水率為4.3 Lu～7.6 Lu，透水性等級為弱透水。

（4）大壩防滲心墻不連續(xù)，在空間上沒有規(guī)律可循。

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

4.1 計算參數(shù)及方法

根據(jù)地勘報告的成果，結(jié)合既有的大壩標準斷面資料，分析認為目前大壩無成型粘土心墻防滲體，基本為均質(zhì)土壩，進而分析現(xiàn)狀大壩的滲流和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。除險加固方案擬定時，綜合比較高噴灌漿、深層攪拌樁［5]、帷幕灌漿法［6]及液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻方案［7-9]，結(jié)合地區(qū)實際經(jīng)驗，認為后者具有較高的防滲保證率，防滲效果較好。

塑性混凝土防滲墻方案的壩型及結(jié)構(gòu)示意見圖1。由于新房水庫位于山區(qū)、丘陵區(qū)，洪水歷時較短，校核水位時不形成穩(wěn)定滲流，因此計算時僅考慮設(shè)計工況（P=3.33%）和正常蓄水位工況，下游水位統(tǒng)一采用最低水位41.70 m。計算方法采用北京理正巖土的滲流及邊坡穩(wěn)定分析軟件中的有限單元法。

新房水庫校核洪水位為54.83 m，下游水位為41.70 m，最大水頭差H=13.13 m，混凝土防滲墻采用C15 塑性混凝土，允許滲透比降J為50，故防滲墻厚應(yīng)不小于0.26 m，考慮到施工效果和相關(guān)工程經(jīng)驗，新房水庫的塑性混凝土防滲墻厚度取0.4 m，頂部與C30 素砼壩頂路面進行牢固連接，底部深度至中風(fēng)化花崗巖以下0.5 m。

圖1 新房水庫大壩壩型結(jié)構(gòu)示意圖（尺寸單位：mm）

結(jié)構(gòu)計算前，已經(jīng)對大壩防滲加固處理前后大壩的滲流穩(wěn)定情況進行了分析和計算，其主要結(jié)論可表述如下：

1）液壓抓斗法混凝土防滲墻能夠有效降低大壩的浸潤線（見圖2）和背水坡出逸點高度，能夠減小大壩的滲漏量和出逸點比降。

2）液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻方案是抑制水庫大壩滲漏、提高抗?jié)B穩(wěn)定性的直接有效方法。

本文的結(jié)構(gòu)計算是基于滲流穩(wěn)定的計算成果，結(jié)合壩體和壩基各巖土層的物理力學(xué)指標（見表2）利用有限單元法進行的分析和計算。限于篇幅，本研究僅對背水坡的穩(wěn)定性進行分析。

表2 計算采用物理力學(xué)指標表

4.2 結(jié)果和討論

根據(jù)大壩實際土層組成，建立簡化的大壩滲流穩(wěn)定計算有限元分析模型，將壩體和壩基進行有限元網(wǎng)格劃分后，施加上游和下游邊界條件，輸入各土層參數(shù)后計算、分析，得到加固前后正常蓄水位和設(shè)計水位兩種基本工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算結(jié)果見表3 和圖2。

表3 防滲加固前、后結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

從表2 可看出，新房水庫防滲處理［10]前，背水坡在正常和設(shè)計工況下抗滑穩(wěn)定是不滿足規(guī)范要求的；由于設(shè)計水位比正常水位高，設(shè)計水位時的浸潤線比正常水位時高（見圖2），致使設(shè)計工況時背水坡的抗滑安全系數(shù)較小，穩(wěn)定性更差；防滲處理后，兩種工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，同樣可以得出設(shè)計工況時，背水坡的抗滑安全系數(shù)比正常蓄水位工況偏小。

從圖2 可看出，防滲加固前，由于設(shè)計洪水位時出逸點位于下游壩坡，正常工況時浸潤線未出逸但距離背水坡表面較近，因此其圓弧滑動集中在出逸點以下的飽和土體附近。防滲加固后，由于浸潤線的降低，背水坡壩殼料飽和土體減少，圓弧滑動半徑增大，安全系數(shù)增大，大壩的安全性得到了提高。

圖2 新房水庫滲流、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定圓弧滑動示意圖

5 結(jié)語

本文根據(jù)新房水庫的水文、工程地質(zhì)條件，在對大壩防滲處理前后滲流計算和分析的基礎(chǔ)上，對大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性利用有限元法進行詳細的計算分析，通過對不同工況下的計算成果的比較，得出：

1）液壓抓斗法混凝土防滲墻能夠有效降低大壩的浸潤線，進而增大背水坡結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，提高大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2）對于滲流和結(jié)構(gòu)均不穩(wěn)定的病險水庫大壩，液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻方案是水庫除險加固的直接有效方法。