大梁屯水库除险加固工程安全鉴定

程瑞山，刘 琪，张 峰，孟凡钦

(武汉理工大学，武汉 4300702)



大梁屯水库除险加固工程安全鉴定

程瑞山，刘 琪，张 峰，孟凡钦

(武汉理工大学，武汉 4300702)

大梁屯水库位于普兰店市莲山镇榆树房村大梁屯，清水河流域的中上游。文章对大梁屯水库除险加固工程下闸蓄水阶段验收提供依据，对水库进行设计洪水复核，泄洪能力复核，对水库进行特征水位复核，对混凝土防渗墙土坝进行了坝顶高程复核以及大坝渗流稳定计算，进行了具体的技术分析和安全鉴定。

大梁屯水库；除险加固；安全鉴定；评价；复核

1 工程概况

大梁屯水库位于普兰店市莲山镇榆树房村大梁屯，清水河流域的中上游，坝址地处E122°15′15″，N39°32′00″。水库始建于1958年3月，同年7月竣工。1964年4月进行了加固翻修，1965年6月竣工。大梁屯水库是一座以防洪和灌溉为主，还具有淡水养殖和美化环境的功能。水库校核洪水位41.32m，设计洪水位40.45m，正常蓄水位38.31m，死水位为31.81m，汛期限制水位38.31m。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》[1]，大梁屯水库属中型水库，工程等别为Ⅲ等，相应的永久性水工建筑物级别为：主要建筑物3级，次要建筑物4级，施工临时建筑物级别为5级。大梁屯水库主要建筑物洪水设计标准为：100a一遇洪水设计，1000a一遇洪水校核，施工洪水标准为10 a一遇。

大梁屯水库混凝土防渗墙土坝为均质土坝，坝轴线接近东西向，总长522.2m，坝顶高程平均为42.66m，坝顶总宽度6.0m，泥质路面。

2 安全鉴定的组织及实施

水安全鉴定工作的任务是按照水利部《水利水电建设工程蓄水安全鉴定暂行办法》(水建管[1999]177号文)的要求[2]，依据国家有关法律、法规，根据现行技术规范、初步设计报告、设计变更及修改文件、监理签发的技术文件及说明、确定鉴定工作范围：对大梁屯水库进行防洪、泄洪以及特征水位进行复核，重点对混凝土防渗墙土坝进行坝顶高程复核和渗流稳定计算等有关内容。

3 鉴定内容及成果结论

3.1 当前工程形象面貌评价

目前施工形象面貌，大坝主体工程均已完成，具备挡水条件；溢洪道工程主体，金属结构制安已全部完成，具备泄洪条件；输水洞土建及金属结构均已完成，具备输水能力。水库库区库底清理已完成，满足蓄水要求。

3.2 工程防洪标准与防洪能力评价

3.2.1 设计洪水复核

清水河无水文资料，设计洪水只能由暴雨资料推求。本次复核采用《计算方法》中的集水面积<300 km2的方法计算设计洪水[3]。根据新量算水库流域面积45.54 km2，坝址以上河道长度14.34 km，河道比降为6.67‰，通过以上方法计算出的频率为1%的设计洪水及0.1%的校核洪水主要成果为：设计洪水100a一遇，洪峰流量为372.2m3/s，一日洪量为600万m3/s，三日洪量为667万m3/s；校核洪水1000a一遇，洪峰流量为884.8m3/s，一日洪量为1620万m3/s,三日洪量为1825万m3/s。

经复核，本工程在下闸蓄水前原初步设计阶段设计洪水成果可基本合理、安全、可靠。

3.2.2 泄洪能力复核

大梁屯水库下游有防洪要求，其洪水调节方式采用水库蓄洪限制下泄流量。大梁屯水库洪水调度按以下原则进行：①溢洪道为开敞式，自由出流，无闸控制；②调洪起调水位即为溢流堰堰顶高程38.31m。调洪采用如下公式：

(1)

式中：Q1、Q2为分别为计算时段初、末的入库流量，m3/s;V1、V2为计算时段中初、末的库容，m3;q1、q2分别为计算时段初、末的下泄流量，m3/s;△t为计算时段，s。

堰流及综合流量系数按下列各式计算：

(2)

(3)

式中：Q为过堰流量，m3/s；m为不计侧收缩系数的综合流量系数；n为桥孔数，取3个；b为单孔净宽，取5.36m；H为堰前水头，m；mm为中孔的流量系数，取0.37；ms为边孔的流量系数，取0.35。溢洪道控制段泄流能力见表1。

表1 溢洪道控制段泄流能力计算成果表

3.2.3 水库设计特征水位复核

依据初步设计阶段水库正常蓄水位成果，确定现有水库兴利库容是合理的，所以维持现有正常蓄水位38.31m不变。相应兴利库容为1120.9万m3，实测31.81m对应的死库容为29.40万m3。死库容由下式计算：

(4)

式中：V死为死库容，万m3；r为泥沙容重，1.3t/m3；T为设计淤积年限，考虑再运行30 a；E为推移质占悬移质的比重，20%；G为多年平均悬移质年输沙量，G=200×45.54=9108t；经计算，V死=25.2万m3<29.40万m3。因此水库原死水位依然满足再运行30年的要求，维持原死水位31.81m。

大梁屯水库由其洪水调度原则要求，汛期限制水位即为堰顶高程处水位38.31m，相应库容为1150.3万m3。大梁屯水库设计洪水标准为100a一遇洪水，设计洪水位为40.45m，相应库容为1996.97万m3。大梁屯水库校核洪水标准为1000a一遇洪水，校核洪水位为41.32m，相应库容为2479.41万m3。

3.3 大坝安全性评价

3.3.1 坝顶高程复核

为了保证库水不溢过或溅过坝顶，坝顶高程在水库正常运用和非常运用的静水位以上应有足够的超高值，计算采用《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)5.3.1条推荐的公式进行计算[4]，波浪爬高、风壅水面高度采用附录A推荐的公式进行计算。

Y=R+e+A

(5)

式中：R为波浪爬高，m；e为风壅水面高度，m；A为安全加高，m；安全加高值按规范选取，3级土坝设计标准取0.7m，校核标准取0.4m。

1)波浪爬高R的计算

(6)

式中：m为坡度系数；KΔ为斜坡糙率渗透性系数；hm为平均波高，m；Lm为平均波长，m；Kw为经验系数。

平均波高hm及平均波长Lm按规范推荐的蒲田试验站公式计算：

(7)

Tm=4.438hm0.5

(8)

(9)

式中：hm为平均波高，m；Tm为平均波周期，s；W为计算风速，m/s；分别取转换系数K1=2.0，K2=1.0，查图《土坝设计》得出非常运用条件下计算库面风速为22.82m/s，正常运用条件下计算库面风速为34.23m/s。D为风区长度，m；风区长度为风向作用于库区水域的长度，在库区地形图上量测得到，风区长度详见表2；Hm为水域平均水深，m；即水域的平均深度，在库区地形图上沿计算风向作剖面图求得，详见表2；H为坝上游面水深，m；即水域的平均深度，在库区地形图上沿计算风向作剖面图求得，详见表2；Lm为平均波长，m。

表2 波浪爬高要素计算表

3.3.2 风壅水面高度e计算

采用规范推荐的公式进行计算，计算结果见表3。具体公式为：

(10)

式中：e为计算点处的风壅水面高度，m；k为综合摩阻系数；W为水面以上10m高程处的风速，m/s；D为风区长度，m；H为水深，m；β为风向与坝轴法向夹角。

坝顶超高具体计算成果见表3。

表3 坝顶超高计算结果表

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，计算结果见表4。

表4 坝顶超高计算结果表

现状坝顶不平，高程在42.61～42.73m，防浪墙顶高程在43.62～43.70m，均满足计算要求。

3.3.2 大坝渗流稳定计算

根据填筑材料的物理指标、地形、地质及坝高等因素，本次渗流计算采用二维有限元计算，稳定计算采用二维极限平衡分析方法(毕肖普法)。

1)计算参数：

断面土层分布及各土层渗流稳定计算参数采用地质勘察报告及试验报告结果，具体如表5所示。

由水文分析及洪水调节计算成果可见，库水位由正常高水位上涨至校核洪水位历时72h左右，之后水位缓慢下落。为安全起见在设计洪水位和校核洪水位下同时考虑稳定渗流，因此渗流稳定需计算表6所示4种工况。

表5 滲流稳定计算参数

表6 渗流稳定计算工况

2)渗流稳定计算结果分析：

坝体典型剖面渗流场计算结果如表7和图1所示。由表7可知，在不同工况下，混凝土防渗墙最大水力坡降与坝体下游溢出点处水力坡降均小于允许坡降，同时，考虑到坝体设计时，对下游坡面进行了碎石护坡和反滤设计，其抵抗渗透破坏的能力可进一步提高，防渗墙和坝体的渗透坡降满足渗透稳定性要求。

经复核，大梁屯水库上、下游滑动均为浅层滑动，稳定计算结果如表7与图2所示。

表7 渗流稳定计算结果

图1 渗流计算浸润线示意图

图2 稳定计算滑弧位置图

3.3.4 大坝基础稳定校核

为确保大梁屯水利枢纽工程安全，坝基防渗采用沟槽混凝土防渗墙方案。

1)防渗墙厚验算

根据抗渗性要求验算墙厚

(11)

式中：tj为计算墙厚，m；t为实际墙厚，m；J允为允许的水力坡降，J允=80；H为防渗墙上下游水头，H=10.0m；经计算，tj=0.13m

2)根据耐久性要求验算墙厚

防渗墙的混凝土在渗透水流的作用下，将产生溶蚀作用，使混凝土结构逐渐疏松，丧失强度和防渗能力。如按丧失50%强度时所需时间考虑，则防渗墙的厚度计算如下。

(12)

式中：tj为计算墙厚，m；t为实际墙厚，m；K为混凝土防渗墙的渗透系数，k=0.032m/a；T为混凝土防渗墙的耐久性要求年限，取T=50 a；H为防渗墙上下游水头，H=10.0m；a为混凝土强度降低50%时，防渗墙每千克水泥渗水量，取a=1.6kg/m3；c为每m3混凝土水泥用量，取c=230kg/m3。

经计算，tj=0.2m

4 结 语

坝顶高程复核、坝体渗流稳定经复核满足现行规范要求，水库特征水位、泄洪经复核满足现行规范要求。工程等别、建筑物级别及防洪标准符合现行规范要求[5-6]。地震设防烈度符合现行规范要求；大梁屯水库除险加固工程主要建筑物混凝土防渗墙土坝已全部完工，具备蓄水条件。

[1]长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.SL252—2000水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2]中华人民共和国水利部.SL44—93水利水电工程设计洪水计算规范[S].北京：中国水利水电出版社，1993.

[4]水利部水利水电规划设计总院.SL274—2001碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国电力出版社，2002.

[5]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL5703—2000水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国电力出版社，2000.

[6]中华人民共和国建设部.GB50201—94防洪标准[S].北京：中国计划出版社，1994.

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1007-7596(2016)08-0042-03

2016-07-06

张磊(1982-)，男，辽宁锦州人，工程师，研究方向为水文、水资源等。