姚 亮

(渭南市水利水電勘測設計院,陜西 渭南 714000)

1 工程概況

紅石崖水庫位于延安市黃龍縣紅石崖鄉(xiāng)曹家河村旁,原設計是一座集灌溉、供水為一體的Ⅳ等小(1)型綜合利用水庫。壩址以上控制流域面積49.8 km2,2004年除險加固后設計總庫容381.93萬 m3,其中:興利庫容267.10萬 m3,調洪庫容92.93萬 m3,死庫容21.9萬 m3。

水庫樞紐工程由大壩、溢洪洞、放水洞三部分組成。

泄洪洞位于大壩左岸,進口采用側堰,堰頂高程1 050.70 m,堰寬15 m,泄洪洞總長276.23 m,其中隧洞段長229 m,校核洪水下泄流量224.6 m3/s。

放水設施位于大壩右壩肩,設計流量1.0 m3/s,設計水深0.61 m,由放水塔、放水隧洞、暗涵組成,其隧洞段長130 m,暗涵60 m。

表1 紅石崖水庫調洪演算成果表

2 樞紐工程存在的主要問題

根據紅石崖水庫大壩安全鑒定、核查意見及本階段工作成果,認為紅石崖水庫目前存在的問題主要包括:

1)紅石崖水庫下游壩坡不穩(wěn)定;壩頂防浪墻漿砌石多處出現墻體裂縫、砂漿脫落現象,整體結構已破壞;大壩下游岸坡排水溝破損、淤積嚴重,壩面無排水系統及踏步。

2)下游坡戧臺與左岸結合部位存在繞壩滲漏。

3)泄洪洞進口側堰基礎存在滲漏,挑流出口外側溝道沖刷淘刷嚴重,影響泄洪安全。

4)放水塔內閘門年久失修,銹蝕變形嚴重,啟閉機電動部分損壞,不能正常放水。

3 現狀壩頂高程復核

3.1 水文成果

經調洪演算分析,紅石崖水庫的防洪標準為30 a一遇(P=3.3%)溢洪洞最大下泄流量為94.4 m3/s,設計洪水位為1 052.82 m,300 a一遇(P=0.33%)溢洪洞最大下泄流量為214.2 m3/s,校核洪水位為1 054.17 m。

3.2 壩頂高程計算工況選取

根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2020),設計壩頂高程為水庫靜水位與壩頂超高之和,應按以下運用條件計算,取其最大值作為設計壩頂高程。

(1)工況一:設計洪水位+正常運用條件的壩頂超高;

(2)工況二:正常蓄水位+正常運用條件的壩頂超高;

(3)工況三:校核洪水位+非常運用條件的壩頂超高;

(4)工況四:正常蓄水位+非常運用條件的壩頂超高+地震安全加高。

3.3 壩頂超高計算

壩頂超高計算公式:Y=R+e+A

(1)

式中:R為波浪爬高(m);e為最大風壅水面高度(m);A為安全加高。

壩頂高程計算成果詳見表2。

計算最大壩頂高程為1 054.20 m,原現狀壩頂高程為1 054.30 m,高于本次復核壩頂高程,壩頂高程滿足防御設計洪水,結構安全,故本次大壩改造壩頂高程維持現狀不變。

4 現狀壩體滲流及穩(wěn)定分析

4.1 現狀土工膜防滲效果分析

根據水庫上游庫水位為1038.70 m及上游庫水位為1 049.31 m時的實測浸潤線的分布與該水位情況下的理論浸潤線分布進行對比可知:當上游庫水位為1 038.7 m時,實測理論浸潤線與無膜理論浸潤線基本重合,土工膜沒有起到防滲效果(圖1);當上游庫水位為1 049.31 m時,實測理論浸潤線位于無膜理論浸潤線和有膜浸潤線之間,且靠近位置靠近無膜時浸潤線的工況,表明上游土工膜雖然起了一定作用,但由于破損等因素,起到防滲效果較弱(圖2)。

表2 壩頂高程計算成果表

圖1 庫水位為1 038.70 m時實測浸潤線與理論浸潤線對比圖

圖2 庫水位為1 049.30 m時實測浸潤線與理論浸潤線對比圖

4.2 現狀壩體滲流及穩(wěn)定復核

4.2.1 滲流計算及滲透穩(wěn)定分析

斷面選擇:設計選取大壩最大斷面處樁號0+077。

(1)計算工況

放水洞運行期設計流量為1 m3/s,依據庫容曲線,正常需水工況每天水位降幅很小,故不計洪水位降落工況。根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2020),結合運行方式,本設計滲流分析計算工況為:

穩(wěn)定滲流期(上游水位為正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m);

(2)計算參數

壩體分區(qū)滲透指標依據地勘資料選取,具體滲流穩(wěn)定計算參數成果見表3。

表3 壩體分區(qū)滲透指標表

(3)滲流計算

計算方法采用滲流場數值分析有限單元法,按照河海大學工程工學研究所研制的水工結構有限元分析系統《AutoBank 7.07》計算程序具體分析計算。計算成果見表4。

表4 壩體填土滲流計算成果表

從表4可以看出,壩體滲透比降小于允許滲透比降,滿足規(guī)范要求。

大壩滲流分析計算,壩體最大斷面單寬滲流量為1.05 m3/(d·m) ,每天滲流量為155 m3/d ,年滲流量5.66萬 m3。

4.2.2 現狀壩體穩(wěn)定分析

斷面選擇:斷面選取以大壩最大斷面處樁號0+077。

(1)計算工況

該水庫大壩位于Ⅶ度地震區(qū),依據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2020),確定壩坡穩(wěn)定分析的工況為:

1)穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡(上游水位為正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m);

2)穩(wěn)定滲流期遭遇地震工況的上、下游壩坡(上游水位為正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m)。

(2)計算參數

大壩各分區(qū)土層物理力學指標見表5。

表5 大壩分區(qū)土層物理力學指標

(3)計算方法

計算方法采用簡化畢肖普法,利用河海大學工程力學研究所研制的水工結構有限元分析系統《AutoBank 7.07》分析計算。

(4)計算結果

穩(wěn)定計算采用簡化畢肖普法的安全系數,壩體浸潤線采用下游有排水棱體及河床無水情況下的計算浸潤線,計算結果見表6,上、下游壩坡最危險滑弧位置見下圖所示。

表6 現狀大壩穩(wěn)定分析成果表

計算結果表明,大壩樁號0+077斷面處上游壩坡抗滑穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求,下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數在穩(wěn)定滲流期及穩(wěn)定滲流期遭遇地震工況均小于規(guī)范允許值。

圖3 現狀壩坡(樁號0+077)正常運行最危險滑弧位置圖

圖4 現狀壩坡(樁號0+077)地震工況最危險滑弧位置圖

5 大壩加固方案

根據上述大壩穩(wěn)定分析結果可知:大壩壩坡穩(wěn)定安全系數偏小,不滿足相關規(guī)范的要求,分析其原因,主要由于大壩上游防滲效果不佳,浸潤線升高,造成飽和土體的增加,抗剪強度降低造成的,本次設計主要從降低壩體浸潤線和壩坡培厚等方案解決大壩失穩(wěn)問題。

(1)方案一:降低大壩浸潤線

從實測浸潤線觀測的結果,可知大壩上游防滲效果不佳,本次方案一沿壩軸線現澆C25砼導墻,導墻內利用沖擊鉆機+抓斗進行成槽,形成40 cm塑性砼防滲墻。防滲墻墻頂上限為水庫正常蓄水位加50 cm(1 051.20 m),下限為嵌入基巖以下1.5 m,防滲范圍為整個壩段。該方案無需對壩坡進行培厚,后期的水保、環(huán)保措施費用相對較低,但施工費用偏大。

(2)方案二:壩體培厚

該方案施工工序簡單,質量有保證,施工費用相對較低,但施工周期長。

經綜合分析,選擇大壩下游培厚方案。經穩(wěn)定分析計算,大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數滿足規(guī)范要求,培厚后的下游壩坡安全系數見表7。

表7 培厚后壩體穩(wěn)定分析成果表

6 結語

紅石崖水庫大壩除險加固初步設計編制工作于2022年7月順利通過了省水利廳組織的專家評審。目前,水庫除險加固施工正在進展中,預計2023年6月水庫除險加固圓滿結束。隨著除險加固工作的完成,水庫將會發(fā)揮其原有的灌溉、供水功能,給當地村民帶來巨大的效益。