寨潭电站除险加固设计_王永清.pdf

河南水利与南水北调 2023年第5期农村水利 水电寨潭电站除险加固设计王永清（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512000）摘要：水电站在推动区域经济发展中发挥着非常重要的作用，而水库则是水电站正常运转的核心保障。如果水库本身存在有相应的安全风险，轻则影响水电站的运行，严重时可能引发重大事故。基于此，做好水电站病险水库安全风险分析以及除险加固设计，也就显得十分必要。结合乳源县寨潭电站项目的实际情况，对其在运行中存在的安全风险进行了分析，提出了相应的除险加固设计方案。通过对方案的合理应用，电站存在的安全风险得到了有效防控，大坝的使用寿命得到了延长，整体加固效果显著。关键词：水电站；病险水库；安全风险；除险加固中图分类号：TV697.3文献标识码：B文章编号：1673-8853（2023）05-0040-031工程概况寨潭电站位于广东省乳源县境内南水水库上游的支流汤盆水河下游，电站大坝距离乳源县城约30 km，位于泉水水库大坝下游约6.90 km。所属河流为珠江流域北江水系南水河，南水河流经乳源、曲江两县区，最后汇入北江干流。南水河干流全长93 km，流域面积为1 470 km2。寨潭电站于1993年开工建设，1994年完工并投产。水库库容较小，调节能力较差，因此电站属于径流式水电站，原本安装2台卧轴混流式水轮发电机组，装机容量为2630 kW，设计水头46 m，单机额定流量为1.80 m3/s。2015年，经增效扩容改造后，电站装机容量为2750 kW，额定水头42 m，单机流量2.11 m3/s。工程枢纽主要建筑物有挡水坝、引水隧洞、压力管和厂房。2现状问题2.1总体问题寨潭电站大坝为M10浆砌石重力拱坝，上游面采用C15混凝土面板防渗，大坝为坝顶溢流，溢流堰为WES实用堰，两岸为非溢流坝段。根据现场踏勘，大坝整体施工外观质量较好，坝轴线与两岸山体的交角较合适。下游坝面砌筑较平整，但砌筑块石粒径较小，下游坝面长满杂草。溢流堰表面平整，大部分坝体砌筑的砂浆已遭受严重的淘蚀，坝后坡中下部的勾缝基本被破坏，坝后坡下部可直接观察到较多空隙。两岸山体雄厚，坝肩及下游河床基岩出露，出露岩体质地坚硬，整体性好，局部存在裂隙。2.2淤积问题大坝现状无放水底涵，电站引水压力钢管进口底高程为260 m，这也是水库最低水位能够达到的高程。因此，大坝建成至今，未曾进行过放空排沙，因此，水库淤积较严重。2.3渗透问题经过现场检查及钻探结果，大部分坝体砌筑的砂浆已遭受严重的淘蚀，坝后坡中下部的勾缝基本被破坏，坝后坡下部可直接观察到较多空隙，并且坝后坡左侧下方已出现0.80 m1.70 m范围的塌落，塌落凹陷深处近半米。坝后坡左右两侧均存在瀑布状渗流，可见坝体内部已形成一定范围的渗漏区域；渗水部位随库水位升降而高低不一，渗水量也随库水位增加而加大，库水位降低时变小，正常库水位下渗水量约为170 L/s，作者简介：王永清（1992），男，工程师，主要从事水工建筑工作。Design of Danger Removal and Reinforcement for Zhaitan Hydropower StationWANG Yongqing（Shaoguan Water Resources and Hydropower Survey and Design Consulting CO.LTD.,Shaoguan 512000,China）Abstract：Hydropower station plays a very important role in promoting regional economic development,and reservoir is the coreguarantee for the normal operation of hydropower station.If there are corresponding safety risks in the reservoir itself,it will affect theoperation of the hydropower station,and even cause major accidents.Based on this,it is very necessary to do a good job in the safetyrisk analysis and reinforcement design of the sick reservoir of hydropower station.Combined with the actual situation of Zhaitan powerstation project in Ruyuan County,the existing safety risks in operation are analyzed,and the corresponding design scheme of riskprevention and reinforcement is put forward.Through the rational application of the scheme,the safety risk of the power station hasbeen effectively prevented and controlled,the service life of the dam has been extended,and the overall reinforcement effect isremarkable.Key words：hydropower station;sick reservoir;security risks;danger removal and reinforcemen40河南水利与南水北调 2023年第5期农村水利 水电渗水量较大。2.4洪水问题南水流域地处南岭南麓，属亚热带季风区。所处的地理位置及地形条件使降雨量较大，也有利于暴雨的形成。南水河支流汤盆水属于山区性河流，河道比降大。该流域的洪水由暴雨产生，洪水历时较短，暴涨暴落，每年6-8月为洪水的多发期。3除险加固设计3.1设计洪水工程等别为等工程，永久性主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。根据规定，选择建筑物洪水标准如下。拦河坝，设计洪水标准：20年一遇（P=5%）。校核洪水标准：100 年一遇（P=1%）。消能防冲洪水标准：10 年一遇（P=10%）。施工导流洪水标准：5年一遇（P=20%）。工程坝址以上集雨区域内无实测降雨资料，故此工程洪水由设计暴雨推求设计洪水。泉水坝址位于乳源南水流域的一级支流汤盆水，集雨面积F=189 km2，坝址以上河长L=31.4 km，坡降J=0.018 7。集雨区域内特征参数=118.30。寨潭电站坝址位于乳源南水流域的一级支流汤盆水，集雨面积F=42 km2，坝址以上河长L=6.90 km，坡降J=0.019。坝址洪峰流量采用泉水水库原设计阶段的各频率下泄洪峰流量与同频率的区间洪峰流量进行叠加，得出坝址的洪峰流量（详见表1）。3.2防渗设计考虑坝体渗漏及下游坝面局部塌落的问题，对坝体进行充填灌浆，不仅能达到防渗目的，也对坝体浆砌石进行充填加强，提高了坝体材料强度、密实度、整体性，从而大幅度提高大坝的安全度。对于两坝肩绕坝渗漏及河床部位的坝基渗漏问题，采取帷幕灌浆的措施，减少坝肩及坝基渗漏量。因大坝砌石粒径较小，稳定性差，且坝下游面存在局部塌落，为防止在钻机钻灌浆孔过程中的振动导致更大面积的塌落，危及大坝安全，坝体充填灌浆先在下游面采取风钻钻水平孔，进行充填灌浆，达到固结大坝下游面23 m范围内坝体的目的，水平灌浆孔深23 m，孔距及排距为2 m，梅花形布置。水平孔灌浆结束后，再从坝顶及两岸坝肩一定范围内，采用钻机钻竖直孔，钻至坝基相对不透水层以下3 m，然后自下而上，先进行坝肩及坝基的帷幕灌浆，然后进行坝体剩余部分的充填灌浆，使得水泥浆液充满整个坝体空隙，竖直灌浆孔孔距2 m。在灌浆过程中，根据先导孔的灌浆情况再行调整灌浆孔孔距。另外，项目实施过程中应先通过帷幕灌浆先导孔压水试验，进一步复核验证坝基相对不透水层的埋深。3.3加固设计3.3.1拱坝稳定计算工程大坝稳定计算复核主要是计算拱坝的坝肩抗滑稳定，据地质分析大坝区基岩为弱风化花岗岩，层面胶结紧密，岩体完整性好，地质构造以层理、节理及裂隙为主，断裂不发育，未发现不良的断裂构造，故坝肩抗滑稳定计算按大坝整体进行计算，分别采用规范的抗滑稳定计算中的抗剪断及抗剪公式计算，在计算中改变可能的滑动面，求出安全系数最小的最危险滑动面，并以此确定拱座抗滑稳定。左岸坝肩抗滑稳定参照右岸进行。计算公式如下。抗剪断公式：K=（Nf+cA）T（1）抗剪公式：K=（Nf）T（2）式中，K和K分别表示抗剪断和抗剪稳定安全系数，N表示垂直于滑动法向的法向力，T表示沿滑动方向的滑动力，A表示滑裂面计算面积，f和f分别表示抗剪断及抗剪摩擦系数，c表示基岩抗剪断凝聚力。坝顶高程268 m，坝基高程246.70 m，断面坝高19.30 m。根据地勘资料，抗剪摩擦系数f0.65，抗剪断摩擦系数（混凝土/岩）f=0.70，抗剪断凝聚力（混凝土/岩）c=0.30 MPa。计算结果如表2所示。结合计算结果分析，拱坝各分层拱圈的坝肩抗稳定安全系数均大于浆砌石坝规范要求的最小抗滑稳定安全系数，因此拱坝抗滑稳定均满足规范及设计要求。3.3.2帷幕灌浆坝基帷幕灌浆孔深为往下灌至基岩相对不透水层以下3m，往上灌至大坝建基面，总计孔长度约1 729.20 m，其中坝基帷幕灌浆段长946.58 m。帷幕灌浆的灌浆孔采用150回转式钻机钻孔，孔径为91130 mm，钻孔孔向偏差不能大于2，孔深钻至按先导孔所确认的相对不透水层以下3 m。灌浆孔在钻进结束后，应进行钻孔冲洗，孔底沉积厚度不得超过20 cm；各类钻孔当施工作业暂时中止时，孔口应妥加保护，防止流进污水和落入异物。在采用自下而上灌浆法时，各灌浆孔灌浆前需在孔底段进行一次简易压水试验，简易压水试验采用单点法（压力为0.30MPa），进行压水试验时，上应对试段有效封闭隔离帷幕灌浆，灌浆孔孔深大于7 m，采用自下而上分段灌浆法进行帷幕灌浆，段长为5 m；当地质条件不良或有特殊要求时，可根据实际情况调整灌浆方法。3.3.3充填灌浆充填灌浆分为水平孔充填灌浆及竖直孔充填灌。水平孔充填灌浆孔布置于大坝溢流坝段下游面，采用风钻钻孔，孔深2 m，孔距及排距为2 m，采用梅花形布置，共布置155孔。水平孔充填灌浆钻孔及充填灌浆长度为310 m。坝体竖直孔充填灌浆与坝基帷幕灌浆共用灌浆孔，坝体充填单排布置，孔距为1.50 m。在坝体充填灌浆初期，因为浆砌石坝体空隙率较大，灌浆塞可能无法塞稳，导致灌浆时起不了压，浆液在泵送压力下，其灌浆扩散半径仍然较大。因此，当充填灌浆初期起计算断面坝址区间泉水水库坝址坝址1%洪峰流量/（m3/s）811.191 4902 301.195%洪峰流量/（m3/s）635.101 1001 735.1010%洪峰流量/（m3/s）554.739781 532.73表1坝址设计洪水计算成果表表2各工况拱座稳定计算成果表设计工况安全系数左右岸拱座正常水位工况K51.70K3.35设计洪水位工况K26.54K2.56校核洪水位工况K25.78K2.5041河南水利与南水北调 2023年第5期农村水利 水电不了压时，灌浆暂时不需加塞起压，只需直接下灌浆管灌浆即可，待后续孔能起压时再根据实际情况做调整，采用压力灌浆。3.4排淤设计在大坝左坝肩底部开凿放空排沙底涵，采用DN1000无缝钢管进行衬砌，钢管周边缝隙采用C25混凝土回填封堵，钢管周边布置18锚筋与坝体锚固连接，锚筋间距1 m，锚入坝体深度不小于0.50 m。在底涵出口处设工作平台，便于底涵的日常管理。工作平台处设DN1000手电两用（直流电机）闸阀，并布置阀井，阀井尺寸为长宽高=2 m1.50 m2 m，出口工作平台采用C25混凝土浇筑。为便于日常管理，在工作平台左侧布置步级，步级与左岸坝肩连接。步级采用C25混凝土浇筑，步长260 mm，步高170 mm。3.5加固效果结合寨潭电站项目的实际情况，在经过上述除险加固设计处理后，大坝运行中存在的风险问题得到了有效解决，整体安全性大大提升，能够更好地应对洪灾，同时，在库底淤泥得到排除的情况下，水库蓄水能力更好，电站发电能力也得到了强化，能够很好地将电站的功能发挥出来。4结语在水电站运行中，受设计、施工、维护等因素的影响，可能会出现一定的风险和问题，影响水电站的正常稳定运行，甚至可能引发安全事故。对此，地方政府有关部门和水电站管理机构必须重视起来，对病险水库的现状进行深入分析，找出存在的问题并采取有效的措施来对问题进行解决，做好水库除险加固工作，以此来保障其运行的稳定性和安全性。参考文献：1 马立，赵心宇，伍美华.牌坊坞水库大坝除险加固设计研究J.海河水利，2022（2）：45-48.2 寇福星.千泉湖水库大坝除险加固措施研究 J.陕西水利，2021（12）：210-211.3 刘志明，汤洪洁.病险水库主要问题及除险策略 J.水利规划与设计，2021（5）：1-4，57.4 肖光辉.某水库除险加固中泄洪输水隧洞方案比选 J.陕西水利，2020（9）：219-221.5 郭乙霏，王文婷，张现宝.某节制闸除险加固工程设计 J.河南水利与南水北调，2019（6）：66-67.收稿日期：2023-2-13编辑：刘青h=2hl+h0+a（2）式（2）中：2h1为波浪高，m；h0为波浪中心线至静水位的高度，m；a为安全超高，m。计算分设计洪水与校核洪水两种情况进行。根据 浆砌石坝设计 公式2h1=0.016 6V5/4D1/3求波浪高，公式2L1=10.4（2h1）0.8求波浪长。已知D=0.3 km，设计洪水时采用1.5倍多年平均最大风速即V=16.20 m/s，校核洪水时采用多年平均最大风速即V=10.80 m/s，将D、V值代入公式（2），得：设计洪水情况2h1=0.016 6V5/4D1/3=0.016 616.25/40.31/3=0.36 m2L1=10.4（2h1）0.8=10.40.360.8=4.60 mh0=0.6h1=0.60.36/2=0.11 m校核洪水情况2h1=0.016 6V5/4D1/3=0.016 610.85/40.31/3=0.22 m2L1=10.4（2h1）0.8=10.40.220.8=3.07 mh0=0.6h1=0.60.22/2=0.07 m坝顶安全超高a，由 浆砌石坝设计 查得：设计洪水情况a=0.40 m，校核洪水情况a=0.30 m。坝顶超高h，分别按两种情况计算：设计洪水情况h=0.36+0.11+0.4=0.87 m相应坝顶高程为379.02+0.87=379.89 m校核洪水情况h=0.22+0.07+0.3=0.59 m相应坝顶高程为379.59+0.59=380.18 m可见校核洪水情况所要求的坝顶高程为控制高程，实际坝顶高程为380.50 m，满足坝高要求。4结论为了复核分析水库工程在长期运行使用后的防洪能力情况，在收集水库原设计资料、前期除险加固资料的基础上，研究水库调洪演算成果和坝顶高程。考虑水库的实际情况，调洪原则同原设计方案，通过理论分析计算，获取水库调洪曲线。在考虑波浪高、加高等因素的影响下，确定水库大坝的坝顶高程。经过分析计算，校核洪水情况坝顶高程为380.18 m，实际坝顶高程为380.50 m，现状大坝满足坝高要求。建议对水库大坝工程的渗流稳定性、坝坡稳定性进行复核分析，获取水库全面的安全性情况，为下一步工作提供参考。参考文献：1 卢裕景.小型水库安全鉴定防洪能力复核相关问题探讨 J.水利技术监督，2021（9）：137-139.2 张哲铭.基于检测与监测数据的水库枢纽安全鉴定评价分析 D.天津：天津大学，2020.3 庄军.景德镇市昌江区杨湾水库防洪能力复核 J.黑龙江水利科技，2022，50（7）：82-85+91.4 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