深圳市北部水源工程管理处 广东深圳 518000
摘要:均质土坝的安全评价是施工中整治的重要环节。本文以某水库为案例，阐明了水库均质土坝运行以来出现问题,，从防洪复核、渗流安全复核、结构安全复核、现场调查等方面对该水库的安全状况进行了分析评价, 以供水库均质土坝安全评价的相关人员参考。
关键词:水利工程;安全论证;均质土坝;资料分析;评价
前言
水库均质土坝的安全关系到水库和水库下游人民生命财产的安全,在防洪、养殖等方面限也发挥了重要作用,但由于工程建设时前期准备不足,导致坝体填筑质量偏差,出现坝体两岸有裂缝,坝体左肩有渗漏,岸坡滑塌堆积等问题,存在极大的安全隐患,无法正常发挥效益。直接威胁附近居民的生命财产安全,因此做好水库均质土坝安全评价研究意义重大。
1.工程基本情况
本文研究的水库属蓄水工程, 主要由大坝、放水洞和溢洪道三部分组成, 大坝和泄水建筑物为4 级, 输水洞为4 级。大坝为均质土坝, 坝顶高程1190.0 m , 坝长210 m , 坝底宽109 .75 m , 顶宽4.0 m , 坝高21.0 m 。土坝外坡角采用棱体反滤排水, 上游坝坡坡比均为1∶3 , 下游坝坡坡比均为1∶2 , 下游坝坡设马道, 宽2 .0 m 。坝后反滤排水采用滤水棱体, 高3 .0 m , 顶宽2.0 m 。溢洪道位于大坝右岸, 在红砂岩斜坡上开凿而成, 为开敞式梯形断面明渠, 进口高1187m , 底宽10 .0m ,深5.0 m ,全长97m 。渠底红砂岩裸露, 未衬砌, 风化破坏严重, 溢洪道无消能防冲设施, 设计最大泄流量18 m3/s 。输水洞位于原河槽右侧, 为卧管式涵洞, 砌石结构, 卧管单排孔布设。涵洞矩形断面0 .6 m ×0 .7 m , 进口高程1178 .802 m ,出口高程1177 .803 m , 全长66 .7 m ,设计流量0 .36 m3 /s ,最大泄流量0.48 m3 /s 。
该水库原设计为50 年一遇洪水设计, 设计洪水位1186.0 m , 设计洪峰流量71 m3/s , 相应洪水量120 ×104 m3 , 按500 年一遇洪水校核, 校核洪水位1188 .9 m , 校核洪峰流量124m3 /s , 洪水总量188×104 m3 。
1.1大坝填筑质量
土坝采用机械碾压、人工夯实相结合施工, 施工时上坝土料控制不严, 密实度差, 坝肩两岸岸坡处理不当等情况, 使水库在运行过程中大坝产生不均匀沉陷, 造成延坝轴线多处明显裂缝, 尤其左岸较明显裂缝3 条, 坝基及左、右坝肩渗漏严重;地质勘察资料也表明, 左岸边坡表层下游高程1180.5 ～ 1178m 有细小裂隙, 开挖至2 .5 m 后至砂岩顶面裂隙尖灭, 分析裂缝形成的原因主要是土坝填土与石质结合处因湿陷不均匀沉降产生;1 175 m 高程以下基岩潮湿, 表层强风化严重剥落, 是绕坝渗漏形成的主要原因。室内试验表明, 坝体回填土的干密度在1.40 ～ 1.64 g/cm3 之间, 平均值为1.56 g/cm3 , 其含水量在19 .2 %～ 24 .5 %之间, 平均值为21 .7 %,最大、最小干密度差值达0.24 g/cm3 , 表明该坝各层的碾压密度不均匀, 存在密度较薄弱区域;坝体土室内渗透试验的水平渗透系数在1.49 ×10-6 cm/s～ 2 .04×10-3 cm/s 之间, 平均值为4 .37 ×10-4cm/s , 垂直渗透系数在3 .04×10-7 cm/s ～ 3 .25 ×10-3 cm/s 之间, 平均值为5 .35 ×10-4 cm/s , 也证实了这一点;室内试验结果还表明, 坝体土总应力指标的粘聚力在5 .0 kPa ～ 39 .0 kPa 之间, 平均值为23 .0 kPa , 摩擦角在12 .7°～ 22 .4°之间, 平均值为17 .4°, 表明坝体土强度极不均匀。根据行业标准的规定, 压实度应在0 .95 ～ 0 .97之间, 该坝以0 .95 压实度(室内击实试验最大干密度为1 .75 g/ cm3 , 压实度0.95 对应干密度为1 .66g/cm3)作为控制标准, 对11 个坝体土密度进行评价, 其合格率为0.0 %;同时根据规范要求, 均质土坝压实后的渗透系数不大于1.0 ×10-4 cm/s , 而该坝实测的水平渗透系数平均值为4 .37×10-4cm/s ,垂直渗透系数平均值为5 .35×10-4 cm/s , 均不满足规范要求。分析原因是由于该大坝工程建设期间,缺乏专业的技术人员, 对筑坝土料性质认识不够, 造成坝体土料填筑极不科学, 施工质量控制不严, 再加之工程建成运行期间的管理未能跟上, 造成坝体填筑质量较差。
1.2溢洪道工程质量
溢洪道为在红砂岩斜坡开挖的一个渠道, 左、右侧均为红砂岩斜坡, 底板未衬砌, 红砂岩裸露。溢洪道与坝体接触部位浆砌石挡土墙坍塌, 底部未进行衬砌, 侵蚀、风化严重, 下游没有消能防冲设施, 冲坑逐年向下游坝脚靠近, 给大坝的安全带来严重危害。由于工程施工为群众运动所建施工, 工程无详细资料档案, 因此溢洪道施工其它详情已无法查明。2003年水库上游突降暴雨, 因溢洪道年久失修, 岸坡滑塌堆积, 泄洪不畅导致水位上涨距坝顶仅50cm 。分析原因主要是由于当初只注重大坝主体工程的施工建设, 而忽略了溢洪道配套工程的建设, 溢洪道未全面衬砌, 对溢洪道下游消能设施, 采取利用河道天然槽底进行防冲消能。
1.3放水工程质量
放水洞开挖全部采用人工开挖, 洞体采用水泥砂浆人工砌石勾缝, 由于当时施工时对坝体处理不当, 涵洞基础不牢固, 大坝蓄水后坝体不均匀沉降,造成洞体负力不均, 形成裂缝, 导致渗漏十分严重;2005 年水库安全检查时发现泄洪洞右侧出口(高程1179 .512 m)有集中渗漏, 并进行了现场测量, 渗漏量为5 m3 /d ;放水涵洞由于原施工质量差, 加之年久失修, 目前, 涵洞洞壁勾缝大部分脱落, 漏水较严重, 涵洞出口渠底板、盖板也严重损坏。
2.工程复核
2.1防洪复核
根据部颁除险加固近期非常运用标准和《防洪标准》(GB50201 -94), 结合该水库的规模, 其设计防洪标准为30～ 50年一遇洪水, 校核防洪标准为300 ～ 1000 年一遇洪水;所以本次复核按30 年一遇洪水设计, 300 年一遇洪水校核。该水库设计洪峰流量的推求分别采用洪峰流量汇水面积相关法、综合参数法和水文比拟法进行洪水分析。各种方法计算的不同重现期洪峰流量结果见表1 。
由表1 可以看出, 汇水面积相关法、综合参数法成果很接近, 从安全角度出发, 本次的设计洪峰流量采用综合参数法成果。
根据该地区实用水文手册提供的黄土林区洪水总量计算公式计算不同重现期的洪峰流量和洪水总历时, 采用五点概化法计算不同重现期洪水过程采用五点概化过程线计算的不同重现期洪水过程, 得到30 年一遇洪量为19 .7 ×104 m3 , 总历时30 .3 h ,300 年一遇洪量为47 .4 ×104 m3 , 总历时36 .5 h 。
由于该水库溢洪道为开敞式, 宽10 m , 进口高程为1187 m , 属无坎宽顶堰。根据《水力计算手册》(第二版)泄流计算公式计算该水库溢洪道泄流曲线, 采用试算法进行调洪计算, 计算时起调水位取溢洪道堰顶高程1187m , 并且只考虑溢洪道泄洪,不考虑输水洞泄洪。调洪计算结果为该水库30年一遇设计洪水位为1187.7 m , 相应的最大泄量为8.4 m3 /s ;300年一遇校核洪水位为1188.3 m , 相应的最大泄量为21.9 m3 /s 。
风浪的平均波高及平均坡长采用莆田试验站公式进行了计算, 波浪爬高选用不规则波莆田试验站公式进行了计算, 风壅水面高度采用风壅水面高度计算公式进行了计算, 再加上相应安全超高(正常运用条件取0.5 m , 非正常运用条件取0.3 m), 计算得到设计洪水位为1 090.27 m , 校核洪水位为1089 .77 m , 而现状坝顶高度为1090 .00 m , 故该坝坝顶超高在设计洪水位时不满足要求。
2.2渗流安全复核
大坝地质勘察表明, 坝区基岩面较高, 基岩表层强风化, 风化层厚度5 ～ 10 m 左右, 透水率q =6 ～31lu , 属弱-中等透水, 所以水库的绕坝渗漏是存在的, 另外坝体浸润线以上鼠洞较多, 左坝肩存在绕坝渗透现象, 渗漏最终溢出点在下游坝坡9 m 范围内, 高水位时渗漏量增大;涵洞洞壁勾缝大部分脱落, 洞身与周围岩土结合不实, 渗流长期冲蚀, 形成涵洞出口右侧集中渗漏。2005 年水库安全检查时发现泄洪洞右侧出口(高程1 179 .512 m)有集中渗漏, 经现场实测渗漏量为5m3/d , 分析渗漏原因:一是坝基下部存在强透水砂卵石, 二是涵洞洞壁与砂岩之间存在渗漏通道, 三是坝体与岩体边坡接触面存在裂缝;另外该水库设计建设时无地质资料, 也没进行现场地质勘探, 对左、右岸岩体的性质不明确,加之建设时在坝体和左、右岸岩基的接触处理上清基不彻底, 水库建成后发现右岸岩体较破碎, 裂隙较发育透水性较强, 左坝肩出现绕坝渗漏, 高水位持续时间越长, 渗漏量越大。另外, 根据土工试验结果,坝体土水平向渗透系数为9.34 ×10-4 cm/s , 垂直向渗透系数为5 .35 ×10-4 cm/s ;按《碾压式土石坝设计规范》SL274 -2001 的规定[1], 均质土坝的渗透系数不大于1×10-4 cm/s , 而该坝的渗透渗透大于该值, 不满足要求。以上这些情况已经严重影响到水库的安全运行。
为满足大坝稳定分析及渗透稳定分析的需要,选最大坝高断面作为大坝安全控制断面进行渗流稳定分析计算。渗流稳定计算参数坝体土选用土工试验报告的建议值;渗流区边界参考《电模拟试验与渗流研究》, 在不影响计算结果的情况下, 坝基截取到相对不透水的基岩, 同时对上、下游河床计算长度按大于一倍坝高选取, 本次计算范围取至坝轴线上、下游30m 处。计算采用南京水科院编制的有限元平面渗流程序《DQB》进行;由于该库的放水洞的设计流量仅有0 .48 m3/s , 且无其它放水设施, 而该库的库容又较大, 水位在溢洪道堰顶以下时变化很慢, 有可能形成稳定渗流, 从安全角度考虑, 本次渗流计算取上游水位为溢洪道堰顶高程, 即1187.0m 为上游水位, 下游水位为1170 .0 m 。中间设置浸润线。计算结果见表2 。
表2 渗流计算结果
计算结果表明, 水库在蓄水位为1187 .0 m 时,浸润线从坝后较高处出逸, 不满足规范要求, 浸润线高对坝坡稳定极为不利;从表10 的单宽渗透流量计算结果看, 该坝的单宽渗透流量偏大, 大的渗透流量对坝的蓄水产生很大的影响, 对水库正常发挥效益不利。
2.3结构安全复核
库区为黄土高塬腹地的黄土丘陵沟壑区, 地势西北高东南低, 区内分布新生界陆相碎屑岩及第四系风积黄土和冲积砂砾石、黄土状粉土及粉质粘土,地层平缓, 岩层倾向NW , 地下水按含水层岩性和埋藏条件, 分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。库区岸1210m ～ 1 220m 以上由第四系风积黄土(Q1 、Q2 、Q3)组成, 黄土边坡高度大于100 m ,坡面倾角20°～ 40°左右, 库区右岸基岩露头1200 m～1205 m , 黄土斜坡坡面倾角35°～ 40°坡岸稳定;左岸基岩露头1195 m ～ 1196 m , 多为二级阶地和山前斜坡, 河谷基岩露头1177 m ～ 1195 m , 黄土斜坡坡面倾角10°～ 40°岸坡稳定, 没有发现不良物理地质现象;高程1 177m ～ 1195 m 以下主要由中生界白垩系红砂岩构成的库盆岸坡。通过地质钻探资料、现场调查资料综合分析及结合工程地质类比,水库库区岸坡没有发现明显滑坡、崩塌地质等现象,水库库区岸坡基本稳定。
根据规范和坝体实际情况, 坝坡稳定计算选定有代表性的起控制作用的最大断面进行坝坡稳定分析。由于该坝溢洪道为开敞式溢洪道, 水位在溢洪道进口高程以上停留时间较短, 无法形成稳定渗流,而水位低于溢洪道进口高程以后, 水仅从放水洞下泄(放水洞下泄设计流量仅为0 .48 m/ s), 根据规范, 从安全考虑, 选择水位1187 .00m(溢洪道进口高程)形成稳定渗流时的工况进行计算, 所以本次计算确定的计算工况如为:水位1187 .00 m 形成稳定渗流时, 上、下游坡的稳定。稳定计算结果见表3 。
表3 最大断面稳定安全系数
注:边坡稳定计算坐标采用相对坐标, 坐标系原点设在坝顶中心的坝轴线上, X 轴以向下游方向为正, Y 轴向下为正。
由表3 可见, 依据规范以毕肖甫法计算结果为准, 所计算的断面上游坝坡在水位为1187 .00 m 时的稳定渗流期的安全系数满足规范要求;而下游坝坡该工况下的安全系数不满足规范要求, 说明该水库大坝下游坝坡存在安全隐患;分析该坝安全系数较小的原因主要有:坝体施工质量差, 密实程度低,导致坝体土的抗剪强度低;渗透系数偏大, 导致浸润线偏高, 使坝体大部分处于饱和状态等原因, 共同导致了该大坝的安全系数较小。综合分析以上因素,说明该水库的下游边坡均存在安全隐患, 需进行加固处理。
3.大坝安全状况评价
依据水利部颁布的《水库大坝安全鉴定办法》和《水库大坝安全评价导则》(SL258 -2000)的要求[2],通过对水库的施工质量、洪水复核、大坝结构稳定复核、运行管理情况、大坝现场安全检查情况及大坝原位取样土工试验分析等结果, 对该水库大坝工程安全综合评价如下。
3.1工程质量评价
该水库坝体有裂缝, 坝体各层的碾压密度不均匀, 强度差异较大, 且有密度较薄弱区域, 以室内击实试验最大干密度的0 .95 压实度作为控制标准对坝体土进行评价, 干密度合格率为0 .0 %, 坝基及左坝肩有渗漏;大坝坝坡排水系统局部损坏;放水涵洞施工质量差, 年久失修, 漏水较严重;溢洪道浆砌石挡土墙坍塌, 底部未进行衬砌, 侵蚀、风化严重, 下游没有消能防冲设施。鉴于以上工程质量情况, 工程总体质量建议评价为C级。
3.2大坝运行管理评价
目前有工程管理机构, 但不健全;管理人员缺少, 技术管理水平不高;缺少基础设施和必要的监测手段。就目前的运行管理状况达不到现行规范的要求, 运行管理较差。大坝运行管理评价为C级。
3.3防洪能力评价
该水库原设计防洪标准不满足规范, 需要修改;从坝顶超高计算的结果看, 该水库大坝的实际防洪能力不满足规范要求, 从溢洪道的现状看, 该水库溢洪道不能满足最大泄量的安全下泄, 如果泄洪必将危及坝体安全, 水库一旦失事, 淹没耕地233.3 hm2(包括店头南川)直接威胁张庄、新村、阳平等40个村庄2820人的生命财产安全, 冲毁乡村道路15km , 桥梁6座及部分工矿企业, 后果不堪设想。经综合分析, 防洪复核建议评价为C级。
3.4坝体结构安全评价
水库库区岸坡基本稳定;坝体稳定计算分析表明, 该坝下游坡的安全系数小于规范规定值, 说明该坝下游坡存在严重的安全隐患, 无法满足正常运行要求。大坝坝体结构稳定不满足安全要求, 建议评价为C级。
3.5渗流安全评价
该水库大坝运行过程中存在着绕坝渗漏, 坝体浸润线逸出点高, 涵洞出口右侧集中渗漏, 坝体和左、右岸岩基的接触处理上清基不彻底;渗流稳定分析结果也表明, 浸润线从坝后较高处出逸, 不满足规范要求, 并且该坝的单宽渗透流量偏大;另外, 坝体防渗性能不满足要求。大坝渗流安全性能建议评价为C 级。
3.6抗震安全复核
该水库枢纽工程所在区域的地震基本烈度为Ⅵ度, 动峰值加速度a =0.05 g ;根据《水工建筑物抗震设计规范》SL203-97的要求, 该类建筑物可不进行抗震验算。
经本次安全鉴定, 本文中研究的水库工程质量评价为C级, 大坝运行管理评价为C级, 防洪能力评价为C级, 结构安全评价为C级, 渗流安全评价评价为C级。大坝综合评价建议为三类坝, 应尽快采取除险加固措施。
4.结束语
综上所述，水库均质土坝的安全评价，直接关系到工程的安全。因此，水库的管理人员应该对水库的运行情况时刻关注，做好水库均质土坝的安全监测并进行分析，再进行工程质量评价，大坝运行管理评价，防洪能力评价，坝体结构安全评价，渗流安全评价，抗震安全复核等，及早采取除险加固措施，降低重大事故的发生率。
参考文献：
[1]杨忠, 赵吴琴. 小型水库大坝安全评价——工程地质勘察[J]. 科技致富向导, 2013(12):299-299.
[2]宁振江, 刘海军. 小型均质土坝的安全鉴定方法与综合评价[J]. 杨凌职业技术学院学报, 2010, 9(1):20-23.
论文作者:陈永光
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/9
标签：水库论文; 溢洪道论文; 大坝论文; 土坝论文; 高程论文; 下游论文; 稳定论文; 《防护工程》2017年第23期论文;