赛峪水库大坝安全评价分析研究

黄向向,马 斌,高双强,董卫民

(1.西安理工大学水利水电学院,陕西 西安 710048;2.商洛学院,陕西 商洛 726000)

水库大坝安全鉴定工作是科学的评定大坝安全类别、保障水库安全度汛、落实防汛抢险措施的重要依据[1],因此对赛峪水库进行安全评价势在必行。赛峪水库位于蓝田县县城东18 km的普化镇以南赛峪河口,宝川梁下。该工程兴建于1969年11月,1975年6月竣工投入运行,是一座以灌溉为主,兼有防洪、养殖等综合利用的小(二)型水利工程。大坝为斜墙式土石混合坝。

1 工程质量评价

1.1 大坝运行中出现的质量问题

1.1.1 坝体

坝体的问题是坝顶宽度不满足规范要求和坝体滑塌破坏。按照现行《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001):“坝顶宽度如无特殊要求,中、低坝可选用5～10 m。”[2]赛峪水库坝高33m,属于中坝,坝顶宽度应该不小于5 m,而实际测得只有4.1 m,与规范要求不符。坝体迎水坡坡脚处只用钢筋网格处理了一部分,并没有处理到淤积面以下。

1.1.2 溢洪道

溢洪道不满足泄洪要求。溢洪道堰顶高程较原设计降低1.5 m,溢洪道进口宽17 m,设计洪峰流量为115 m3/s,溢洪道进口出现瓶颈,当洪水来袭时,不满足泄洪要求。

1.1.3 灌溉渠

灌溉渠由于年久失修,导致多处渗水,形成小瀑布,冲毁上坝道路,影响了交通。

1.2 坝体填筑土料质量检查和评价

1.2.1 坝体填筑质量评价

土样的垂直渗透系数 kv=3.76×10-5～4.42×10-4cm/s,平均值为1.72×10-4cm/s,大值均值2.84×10-4cm/s;水平渗透系数 kh=5.74×10-5～3.43×10-4cm/s,平均值1.68×10-4cm/s,大值均值2.59×10-4cm/s,透水性为中等-弱透水。坝体填筑土料评价见表1。

表1 坝体填筑土料评价

从以上的评价表中可以看出,该坝体填筑质量未达到规范要求,应对坝体稳定性进行复核,并根据复核结果,对坝体加固。

1.3 大坝工程质量综合评价

赛峪水库在运行过程中暴露出某些工程质量的缺陷,如坝顶宽度不满足规范要求;溢洪道不满足泄洪要求等,加之筑坝材料的粘粒含量、渗透系数、压实度等均不合格,则根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000)的有关规定,评定赛峪水库的工程质量为“不合格”。

2 大坝运行管理评价

2.1 大坝管理机制

赛峪水库管理处成立于1972年,管理人员2名,是原建水库期间受益村组调抽施工技术人员,行使水库安全运行管理。但由于水费征收不到位,水库管理无经费,加之1998年管理房屋倒塌,管理人员无办公场所,生活得不到保障,因此,有名无实,现在无人看管。

2.2 大坝运行管理综合评价

赛峪水库没有水文测报、安全监测设施及通信设施,大坝也没有得到完整的维修,无法审查大坝的变形、渗流及稳定是否处于正常状态,且大坝还无人管理。因此根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000)的有关规定,赛峪水库大坝的运行管理综合评价为“差”。

3 防洪标准复核

3.1 洪水标准

据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)中的有关规定,结合赛峪水库工程规模的实际情况,确定赛峪水库设计洪水标准为20 a一遇,校核洪水标准为200 a一遇。

3.2 调洪计算

赛峪水库设有宽敞式溢洪道泄洪,溢洪道进口为宽顶堰,堰顶高程144 m,堰宽10 m。采用水量平衡原理进行水库调洪演算,溢洪道进口宽顶堰流量系数采用0.35,起调水位按赛峪水库现状溢洪道进口高程144 m起调,水库不设汛限水位,水库调洪计算成果见表2。

表2 赛峪水库调洪计算成果

3.3 坝顶高程复核

坝顶高程应在水库静水位以上加坝顶超高(y),坝顶超高由最大波浪爬高(R)、最大风壅水面高度(e)、安全加高(A)三部分组成。即y=R+e+A。赛峪水库多年平均年最大风速为20m/s。波浪的波高和平均波长采用鹤地水库公式。坝顶高程复核成果表见表3。

由表3可以看出,赛峪水库坝顶高程在设计和校核两种情况均不满足要求。

表3 坝顶高程复核成果

3.4 水库防洪安全评价

通过本次赛峪水库调洪计算及对大坝坝顶高程的复核,水库坝顶高程在设计和校核两种情况均不满足要求。因此根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000),赛峪水库防洪安全性为“C”级。为提高水库防洪标准,增加调蓄库容,加大下泄流量,常采用的措施有:加大坝高,扩建溢洪道等[3]。

4 渗流安全评价

4.1 计算工况的确定

由于赛峪水库坝址控制流域面积小,洪水历时一般为1 d左右,在设计洪水位及校核洪水位下无法形成稳定渗流,故渗流计算仅对正常蓄水位状况中的稳定渗流进行复核。

4.2 计算断面及计算参数的确定

计算断面选择最大坝高断面进行复核计算。本次计算采用的计算参数为:粘聚力 c为23.9 kPa,内摩擦角φ为23.1°,密度 ρ为18.816kN/m3,渗透系数 k为 2.84×10-6m/s。

4.3 渗流稳定复核

大坝渗流计算采用加拿大GEO-SLOPE计算软件,在坝上游正常蓄水位高程144 m,下游无水时的前提下进行渗流稳定分析。浸润线见图1,底面的水力坡降见图2,渗透坡降成果见表4。

图1 浸润线图

图2 底面的水力坡降图

表4 渗透坡降成果

从结果可见,最大水力坡降为0.43,发生在大坝底部,小于允许的最大水力坡降1.0,满足要求。

4.4 渗流安全综合评价

赛峪水库的最大水力梯度小于允许水力梯度值,渗流计算成果表明了大坝渗透稳定。虽然有一定渗流异常,但不影响大坝安全,根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000)[4],综合评定赛峪水库大坝渗透安全性为“B”级。

5 结构安全评价

5.1 计算工况的确定

计算工况按照《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求进行选取,分正常运用条件和非常运用条件,由于赛峪水库洪水历时一般为1 d左右,在设计洪水位及校核洪水位下无法形成稳定渗流,故计算工况仅对正常蓄水位状况进行复核计算。

5.2 计算断面及计算参数的确定

计算断面选择最大坝高断面进行复核计算,采用瑞典圆弧法,依据加拿大GEO-SLOPE计算软件计算坝坡的稳定性,稳定计算所用到的参数见表5。

表5 稳定计算有关指标

5.3 坝坡的稳定分析

5.3.1 上游坝坡整体稳定分析

上游坝坡的安全系数见图3。

图3 正常蓄水位时上游坝坡安全系数

依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)取值:正常运用条件下坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.25。

从以上分析可得出:上游坝坡计算出的安全系数大于规范所规定的安全系数,因此上游坝坡稳定。

5.3.2 下游坝坡整体稳定分析

下游坝坡的安全系数见图4。

依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)取值:正常运用条件下坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.25。

从以上分析可得出:下游坝坡计算出的安全系数小于规范所规定的安全系数,因此下游坝坡不稳定。

5.4 大坝结构安全综合评价

大坝安全稳定计算结果见表6。

图4 正常蓄水位时下游坝坡安全系数

表6 大坝安全稳定计算结果

从大坝安全稳定复核计算结果可以看出:赛峪水库大坝上游坝坡在正常应用情况下稳定安全系数大于五级水工建筑物规范标准,能满足边坡稳定要求,下游坝坡在正常应用情况下稳定安全系数小于五级水工建筑物规范标准,即下游坝坡不稳定。根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2000),综合评定赛峪水库结构安全性级别属于“C”级。

6 抗震安全复核

6.1 计算条件

赛峪水库大坝基本地震烈度为Ⅶ度,计算方法采用《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—97)[5]规定的拟静力法。由于赛峪水库洪水历时一般为1 d左右,设计洪水位及校核洪水位下无法形成稳定渗流,仅对正常蓄水位遇地震进行计算。

6.2 计算结果

采用GEO-SLOPE计算程序,根据设防烈度Ⅶ计算用水平和竖直地震动峰值加速度均取0.15g。对坝坡稳定进行计算。

6.2.1 上游坝坡抗震计算

考虑地震作用时上游安全计算系数见图5。

依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)取值:非常运用条件Ⅱ(正常运用条件遇地震)下为1.10。

图5 考虑地震作用的上游安全系数

从以上分析可得出:考虑地震作用后上游坝坡计算出的安全系数大于规范所规定的安全系数,因此考虑地震作用后上游坝坡依然稳定。

6.2.2 下游坝坡抗震计算

考虑地震作用时下游安全计算系数见图6。

依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)取值:非常运用条件Ⅱ(正常运用条件遇地震)下为1.10。

在Ⅶ度地震烈度作用下下游坡的安全系数突然下降到0.797,这符合地震作用对坝体安全系数影响的规律,这个数据给出了此坝在Ⅶ度地震烈度作用下发生破坏的可能性。

6.3 抗震安全性综合评价

抗震稳定复核结果为:赛峪水库大坝上游坝坡在遭遇地震时抗滑稳定安全系数满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)和《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—97)规定的允许安全系数,但下游坝坡在Ⅶ度地震烈度作用下安全系数突然下降到0.797,这个数据给出了此坝在Ⅶ度地震烈度作用下发生破坏的可能性,且没有有效的抗震措施,因此评定赛峪水库抗震安全性级别属于“C”级。

7 评价结论

综合各专项安全性级别,赛峪水库安全性分类为三类坝,详见各专项现状安全性级别表7。

表7 赛峪水库各专项现状安全性级别

[1]王治祥,王会让,高 洁,曹新红.陕西省中小型大坝安全鉴定实践及病险水库的评定准则探讨[J].陕西水利水电技术,2001,(1):1-4.

[2]SL274-2001.碾压式土石坝设计规范[S].北京:中国电力出版社,2008.

[3]刘保军,党进谦.册田水库大坝除险加固措施探讨[J].水利与建筑工程学报,2007,5(3):95-97.

[4]SL258-2000.水库大坝安全评价导则[S].北京:中国水利水电出版社,2000.

[5]SL203-97.水工建筑物抗震设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1999.