山区水库大坝安全鉴定及除险加固应用研究.pdf

第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-03-27作者简介 韩海英(1970-),女,北京人,工程师,学士,主要从事水利工程建设与管理工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.033山区水库大坝安全鉴定及除险加固应用研究韩海英(山东省临沂市莒南县陡山水库管理中心,山东 临沂 276634)摘 要为了水库大坝的安全运行,防止其出现防洪水平过低、设计和施工质量差以及对下游居民的生命财产造成严重威胁,对现场的大坝结构和大坝渗透性进行考察。通过水库调洪演算以及对其安全性的复核和稳定性计算发现,水库大坝的高度满足规范要求,其安全级别属于 A级;两侧的挡墙高度均大于泄槽水面线的高度,满足泄洪要求,且泄洪能力为 A 级。大坝未出现明显的结构破坏且沉降已趋于稳定,仅局部渗漏,建议对该大坝进行局部防渗加固处理。关键词水库大坝;除险加固;安全复核;风险评价中图分类号 TV698.2 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0157-041 工程概况水库大坝高 23.2m,坝顶宽度 65.3m,湖水容量 3.16104m3。上游坡角 20,下游坡角 13.5,坝顶纵向坡度 0.006,输入初始水位 520.15m,溢洪道深度 12m,溢洪道底部宽度 8m,边坡倾角33.7,溢洪道底部高程 511m,溢洪道施工后的湖水量 8.46104m3,总容量 10.69104m3。临界滑动坡角 50,下游临界坡度角 30。坡坝主要由 3 层组成:上层(第一层)为砾石土,厚度 515m;中层(第二层)为强风化碎裂岩,厚度 1015m;底层(第三层)为弱风化碎裂岩。大坝的可蚀性系数从顶层的120mm3/N-s 变化到底层的 10mm3/N-s。大坝左右肩部无不良地质构造,因此大坝边坡处于稳定状态。对现场取土进行相关的室内击实试验发现,大坝两侧填土的干密度小于最大干密度,表明大坝两侧填土的压实度较低。通过现场钻孔注水试验和室内渗透试验发现,现场的渗透系数值处于 1.3310-52.2310-4cm/s 之间,即大坝两侧填土处于具有中等透水性,因此要进行防渗加固处理。大坝基础的持力层坚硬,承载力高,满足相应的规范要求,且相关实验表面持力层属弱透水性。根据原位实验和室内实验的结果,建议对该大坝进行防渗加固处理。大坝两侧填土的压实度较低,局部区域存在渗漏现象,但大坝未出现明显的结构破坏。2 防洪安全复核及安全评价防洪安全复核是一种评估洪水风险和安全措施的方法,旨在评估某个地区的洪水风险,以及当前的洪水安全措施是否足够保护当地居民和财产安全。在复核过程中,可能会对当前的洪水控制措施进行评估,并确定是否需要进行改进或加强。通过进行防洪安全复核,可以提高公众对洪水风险的认识,并帮助当地政府和相关利益相关者制定更好的洪水管理政策。此外,复核还可以帮助确定投资洪水控制措施的优先级,并确保资金的最大效益。2.1 水库的水位及库容参数通过查阅相关规范,计算不同时间段内的降雨量,得到降雨衰减指数,见表 1。该水库以初始水位开始起调,起调水位 520.15m。库容曲线的绘制是基于该大坝库区的实际地形量进行量取,具体数据见表 2,并可参考图 1。泄流曲线是大坝防洪安全重要的评估依据之一,可以用于确定水库泄洪的合理流量和水位,以及根据预测的降雨情况和水文条件,预测和751第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023表 1 降雨衰减指数成果项目频率 p/%3.330.33复核结果n16hr0.560.63n6-24hr0.540.58表 2 该水库水位与库容关系水库水位/m库容量/104m3水库水位/m库容量/104m3511.60518.64.53512.60.07519.65.85513.60.37520.67.6514.60.88521.69.25515.61.64522.611.26516.62.38523.613.35517.63.35524.616.13图 1 水位库容曲线控制水库泄洪的过程。同时,泄流曲线还可以作为大坝运行管理的重要参考依据,以保证水库的安全运行和防洪能力。它是用来描述大坝水库泄洪流量与水位之间关系的曲线,横轴表示水位,纵轴表示泄洪流量。当水位升高时,泄洪流量也随之升高,泄流曲线的斜率表示水库泄洪能力的大小。根据当地水文数据和实测资料,采用式(1)计算溢洪道的泄流,水位下泄流量曲线见图 2。Q=m0B2gH3/20(1)式中:m0为水库的流量系数,0.35;B 为大坝顶部的宽度,350m;H0为考虑流速水头的总水头,m。2.2 水库调洪演算调洪演算是指通过计算和模拟水文过程,预测和评估不同洪水情况下的水位、流量和泄洪流量等参数,制定合理的洪水调度方案,以达到最佳的防洪效果和水资源利用效益的目的。本文采用单位线法进行计算,即根据洪峰流量和洪水图 2 水位泄流曲线过程的时间分布规律,将总径流量分配到一定的时间范围内,以确定不同时段的径流量和泄洪流量。水量平衡方程为:Q1+Q22t-q1+q22t=V2-V1(2)式中:Q1、q1分别为最初进库和出库的水流量;Q2、q2分别为结束时进库和出库的水流量;V1、V2分别为水库的初始蓄水量和最终蓄水量;t 为计算的时间。根据设计标准和设计洪水频率,确定设计洪峰流量和洪水过程时间分布。洪调演算的过程和结果分别见图 3、图 4 及表 3。图 3 P=0.33%的 Q-t 和 q-t 过程线图 4 P=3.33%的 Q-t 和 q-t 过程线851韩海英:山区水库大坝安全鉴定及除险加固应用研究第 9 期表 3 水库的调洪结果频率/%设计最大流量/m3s-1最大泄洪流量/m3s-1水库最高水位/m大坝上水头/m大坝库容量/104m30.3310.257.18519.910.8110.693.3315.5311.38519.700.579.63 通过进行调洪演算,得出该水库的相关参数。由此可知,该水库的总库容为 10.69104m3,设计洪水位 519.70m,经过校核后的洪水位519.91m。2.3 水库安全性复核水库在频率为 3.33%时,水库的最高水位519.7 m;在频率为 0.33%时,水库的最高水位519.91 m。无论是校核高度还是设计高度,均小于某水库大坝的高度 23.2m。因此,按照规范中坝高取最大值的原则可知,水库大坝的高度满足规范要求,其安全级别属于 A 级。在频率为 3.33%时,水库设计最大流量15.53 m3/s;在频率为 0.33%时,水库设计最大流量 10.25 m3/s。水库大坝高度 23.2m,坝顶宽度65.3m,湖水容量 3.16 104 m3。溢洪道深度12m,溢洪道底部宽度 8m,边坡倾角 33.7,溢洪道底部高程 511m,溢洪道施工后的湖水量 8.46104m3,总容量 10.69104m3,临界滑动坡角 50。通过比较实际坡降和计算结果,判断水流流态为急流。通过查阅规范计算大坝的泄槽水面线发现,两侧的挡墙高度均大于水位高度,因此满足泄洪要求,且泄洪能力为 A 级。2.4 大坝安全性评价对大坝渗流和大坝结构进行安全性检查是评价大坝安全性的两个重要指标。采用拉普拉斯方程(Laplaces equation)计算水库大坝在无压渗流条件下的渗透系数,方程表达式见式(3);规范中对黏性土的渗透允许坡降计算见式(4):kx2Hx2+ky2Hy2=0(3)J破坏=(Gs-1)(1-n);J允许=J破坏KB(4)式中:kx、ky分别为土体水平方向的渗透系数和垂直方向的渗透系数;H 为土体中任意一点处渗透水的计算水头,m;Gs为土体的容重,一般取值2.7;n 为回填土的孔隙率,一般取值 0.4;KB=1.5。通过当地的填土工程地质报告,可获得水库大坝回填土的相关参数,见表 4。带入表 4 中的数据,计算得到大坝 J破坏=0.67,小于 J允许;当水位处于正常蓄水量时,大坝的渗流量为 1.06m3/dm,因此大坝漏水量的计算值为 13 187m3。通过现场观察,未发现大坝下游出现渗流现象,故水库大坝渗透性能低,满足要求。表 4 水库大坝回填土的相关参数项目Gs/kNm-3Kx/cms-1Ky/cms-1固结快剪C/kPa/()填筑土17.248.7e-73.6e-617.621.5 为了计算大坝的稳定性,分别选取 4 组工况,研究大坝在正常运转条件和非正常运转条件下的边坡安全系数,计算工况和大坝的稳定性计算结果见表 5。根据规范规定,5 级建筑物在正常工作状态下的 K 值应该大于 1.25,在非正常状态下的 K 值大于 1.15。由表 5 可知,大坝在上述4 种工况下均满足规范要求,因此大坝结构是稳定的。表 5 工况情况计算工况工况情况描述K上K下允许值大坝正常工作状态水库上游蓄水高度 521.18m,且大坝上游和下游边坡稳定3.2372.3651.25水库上游设计蓄水高度 521.78m,且大坝上游和下游边坡稳定3.1462.3471.25大坝非正常工作状态水库上游校核蓄水高度 525.96m2.8532.5531.15水库上游校核蓄水高度 525.96m 突然降至 510.18m1.367-1.15951第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,20233 大坝加固措施水库大坝的安全性主要通过以下几个方面体现:水库大坝的主要作用是蓄水和防洪,因此其抗洪能力是非常重要的。如果大坝无法承受洪水冲击,就会导致大坝破裂、溃坝等严重后果。如果水库大坝所处地区经常发生地震,就需要考虑大坝的抗震能力。因为地震可能会导致大坝产生位移、滑坡、断裂等问题,从而导致大坝安全事故。大坝需要具备足够的强度和稳定性,以保证在受到外部力的作用下不会发生塌陷、滑坡、断裂等情况。水库大坝需要具备较好的防渗能力,以防止地下水和溢流水对大坝的侵蚀和冲刷,从而保证大坝的稳定性和安全性。及时监测和预警大坝的安全状态是保障大坝安全的重要手段。总之,水库大坝的安全性从多个方面考虑,及时采取相应的技术措施加固处理。为保障水库大坝的安全性,可从以下几个角度对水库大坝进行加固:对于水库大坝来说,防渗是非常关键的。因此,可采用土工膜、混凝土等材料进行防渗加固。对于老化或高度不足的水库大坝,可通过加高加固的方式增加坝高,使其具备更好的承载能力。为了分散水流,减少水库大坝承受的水压力,可以在大坝前设置引水分流渠道或拦沙坝等工程。加厚大坝底部或上部结构,通过增加截面积来提高其稳定性和抗震能力。加装监测系统,能够实时监测水库大坝的变形和裂缝情况,及时发现问题并采取措施进行修复。为了确保水库大坝的稳定性,可以通过加固基础的方式来提高其承载能力。需要注意的是,加固水库大坝需要充分考虑工程技术、材料性能、环境因素等多种因素,并确保加固方案的可行性和可持续性。4 结 语本文经过对水库大坝除险加固工程的实际施工质量、设计洪水、大坝高度、溢洪道、填土压实度等方面的考核,结论如下:1)根据原位实验和室内实验的结果,建议对该大坝进行防渗加固处理。虽然大坝两侧填土的压实度较低,且局部区域存在渗漏现象,但大坝并未出现明显的结构破坏,且其沉降已趋于稳定。2)采用单位线法进行调洪演算,结果表明该水库的总库容大于设计的洪水位和校核后的洪水位,满足规范的大坝高度要求,其安全级别属于 A 级。两侧的挡墙高度均大于泄槽水面线的高度,因此满足泄洪要求,且泄洪能力为 A 级。对大坝渗流和大坝结构进行安全性检查,均满足规范要求,大坝处于稳定状态。3)该水库已经具备正常的运行条件,但仍应该对大坝的抗洪能力、抗震能力、强度和稳定性、防渗能力、监测和预警能力等方面进行加固,以确保水库大坝的运行安全。参考文献1 常利营,叶发明,陈群.砾石土粗粒含量对高土石坝蓄水期渗流的影响J.人民长江,2021,52(6):141-147.2 马海兵.基于 ABAQUS 软件的土石坝静力分析J.水利规划与设计,2017(7):82-86.本期编辑:刘越男 周琳博 赫晓彦 赵琳琳 杨文061