龙潭河水库大坝安全评价与分析

何群，方翔，刘得潭

（1.信阳市淮河管理处，河南 信阳 464400；2.河海大学，水利水电学院，江苏 南京 210098)

截止目前我国拥有8.7万余座大中小型水库[1]，这些水库的存在不仅在农业灌溉、水力发电、城镇供水、城市防洪及水产养殖等方面起到重要作用，同时是保障区域经济发展的重要基础。然而，根据全国大坝安全普查，病险水库约占我国水库总数的40%左右，其中很大一部分病险水库修建于60～70年代，由于受筑坝技术、设计水平及水文资料匮乏等因素影响，这些病险水库目前存在筑坝材料强度衰减、防洪标准较低、大坝坝体和坝基渗漏严重及管理维护混乱等问题[2-3]。这些病险水库不仅影响水库大坝的正常运行，而且严重威胁下游居民的生命财产安全。例如，1999年湖北省某小型水库库容仅为十几万m2，溃坝后造成34人死亡，经济损失达数亿元事故[4]；青海省沟后水库库容仅为300万m2，因大坝溃坝造成300多人死亡，数亿元经济损失[5]。因此，亟需针对我国病险水库大坝开展安全评价和除险加固工作，提高病险水库安全运行能力。在上述背景下本文以桐柏县龙潭河水库为研究对象，从水库大坝工程质量、运行管理、防洪能力、结构与渗流安全、金属结构安全及输泄水建筑物安全等方面，对水库大坝安全性进行全面分析与评价，为大坝除险加固提供指导。

1 工程概况

桐柏县龙潭河水库位于河南桐柏县西南，淮河支流龙潭河中游段，距县城3km，淮河风景名胜区的南侧。水库总库容1044万m3，控制流域面积25.04km2。该水库是防洪为主，兼顾城镇供水、农业灌溉、水产养殖等综合利用的中型水库，工程等别为Ⅲ等。主要建筑物包括非溢流坝、溢流坝、输水建筑物等。水库正常蓄水位220.5m，相应库容860万 m3；设计洪水位 221.71m，相应库容964万 m3；校核洪水位 222.88m，相应库容1044万m3。水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。大坝为浆砌石重力坝，坝体上游面设钢筋混凝土面板，面板厚度顶部0.6m，底部1.45m。拦河坝长180m，坝顶高程222.9m，最大坝高 46m，坝顶宽度7.25m，防浪墙顶高程 224.12m，上游边坡194.0m高程以下为1:0.15，以上为垂直面，下游边坡为1:0.7，起坡点高程为 219.0m。非溢流段坝长 146.5m，溢流坝段长33.5m。溢流坝段坝顶高程218.0米，坝顶设橡胶，坝袋净高2.5m，橡胶坝设计坝顶高程220.50m，橡胶坝顺水流方向长度7.67m，末端用R1.0m的圆弧与下游面平顺衔接。导水墙为钢筋混凝土直墙，顺流向长度为7.65m，底部宽度均为 0.80m，墙顶高程为 222.50m，与非溢流坝顶齐平，下侧设垂直止水与下游导水墙相连接，为避免橡胶坝袋两端与导水墙结合部位出现塌肩现象，引起局部溢流，影响橡胶坝的正常运行，在导水墙端部采用1:10边坡抬高0.30m消除塌肩现象。为满足泄洪、放空水库等要求，坝内设泄水孔。泄水孔布置在右坝段，进口高程190.0m，进口喇叭型，出口高程 188.0m，泄水孔全长 29.55m，斜坡段（两闸阀间）坡度10%，采用钢管泄流。

2 工程地质与工程质量评价

2.1 工程地质评价

坝址位于桐柏山脉东北部，该处山势呈北东向，右岸山势陡峻，左岸山坡较缓。龙潭河河床宽30～80m，蛇曲发育。区域内植被发育，草木茂盛，水土保持好，冲沟发育。该区出露岩性主要为下元古界桐柏群以泥沙质为主，后期变质的混合片麻岩。自大别山运动以来，该区处于隆起剥蚀状态，第四系仅在河沟山坡坡脚形成零星分布的堆积物。坝址区共发现断层11条，其中Fb断层为在龙潭河水库大坝施工中，在右坝肩0+126～0+132新发现的一条断层，规模较小。其它断层除f1断层外，规模较小，对坝址稳定和透水影响不大，f1断层规模较大，其位于左坝肩，在坝肩区出露长度 196m，断裂带宽度 4.3～8.5m，走向NE40°，倾向 310°，倾角 48°，走向与坝轴线的交角68°。断裂带内见有灰黄色、灰绿色断层角砾岩，角砾粒径5～7mm，并发育有断层泥，断裂带内岩石局部已绿泥石化，胶结程度较差，易风化，手捏即粉，岩芯采取率20%，断裂带内有泉水出露，存在坝肩渗漏问题，渗漏流量为0.25L/s。

库区两岸岩体由混合片麻岩组成，构造裂隙不甚发育，且第四纪沉积物多分布于205m高程以下，未来水库蓄水后风浪作用对库岸影响较小，不存在塌岸问题，库岸稳定性较好。

2.2 大坝工程质量评价

2.2.1 非溢流坝段质量评价

非溢流段坝长146.5m，其主体结构材料均为Mu60M 7.5(5)浆砌石，坝体以193m高程为砂浆分界线，以上浆砌石标号为 Mu60M 5，以下为 Mu60M 7.5。为防止坝体渗水，该坝段上游设C20钢筋混凝土防渗面板，防渗面板平均厚度为1m，顶厚 0.6m，194.0m厚度为 1.04m以1：0.122坡度逐渐变厚，底部高程179m处，厚度为 1.45m，面板配置10@200mm的温度钢筋。上游防渗面板施工质量差，普遍存在蜂窝、麻面、露筋等现象，大坝挡水坝段防渗面板保护层厚度不均匀，局部保护层过薄，导致钢筋锈蚀，钢筋截面损失率达 20.1%～29.4%。

非溢流坝段工程质量评为不合格。

2.2.2 溢流坝段质量评价

溢流段坝长33.5m，其主体结构材料均为 M u60M 7.5(5)浆砌石，溢流坝面为C20钢筋混凝土结构，平均厚度为1.0m，堰顶为宽顶堰形式，顶部布置橡胶坝。直线段边坡为1:0.70，挑流消能，鼻坎高程高出下游校核洪水位1.72m，其高程为185.5m。溢流坝段局部面板突起，存在较多裂缝，现有混凝土强度达不到设计强度等级，其最大碳化深度已达到21.2mm，对大坝的正常运行造成隐患。

溢流坝段工程质量评为不合格。

2.2.3 廊道质量评价

龙潭河水库大坝坝内底部设一道纵向灌浆排水廊道，纵向灌浆排水廊道平行于防渗面板前沿布置，供帷幕灌浆和基础排水用，城门洞形断面，宽2.5m，高3.5m，上部半圆形拱顶为C20钢筋混凝土结构，两侧边墙为C15混凝土结构。上游壁距坝面4.0m，最低处廊道底部高程为186m，高出校核水位对应的下游水位，前墙距坝体迎水面距离为4m。在桩号 0+019、0+047、0+069、0+119.5、0+142、0+159.5处设6条横向交通观测廊道，纵横向廊道相互连通。灌浆排水廊道拱顶及侧边墙均有较多的裂缝，裂缝存在渗水或有白色物质析出等现象。灌浆排水廊道现有混凝土强度推定值不能够达到设计强度等级。

廊道工程质量评为不合格。

2.2.4 交通桥质量评价

交通桥桥面板局部破损，砂浆涂层失效、龟裂、剥落（；交通桥左侧C20混凝土导水墙（桩号0+081）外观正常；交通桥右侧C20混凝土导水墙（桩号0+114.5）有两条裂缝，裂缝周围有析出物。从外观上看，裂缝应是施工缝处理不好形成的；交通桥右侧C20混凝土导水墙与桥台衔接部位存在施工缺陷，混凝土不密实，并有破损；C30钢筋混凝土拱圈外观基本正常，精轧螺纹钢涂层完好，无失效、龟裂、剥落现象，承载能力较好。

3 大坝渗流安全评价

3.1 大坝存在的渗流安全问题

①非溢流坝段渗流问题。非溢流坝段防渗面板普遍存在蜂窝、麻面、露筋、混凝土剥落现象、砌石坝体密实性差、贯穿性裂缝，防渗效果显著降低。

②溢流坝段渗流问题。溢流坝段防渗面板防渗面板存在露石、孔洞、混凝土剥落等缺陷，局部有露筋、钢筋锈蚀现象。溢流坝段局部面板在高程217.0附近出现突起现象。溢流面局部存在一些施工横缝。下游挑流鼻坎为C20钢筋硂结构，外观基本完好，护面局部渗水，并有析出物，出渗点高程为183m；挑流鼻坎两侧的导水墙为C20混凝土结构，外观基本完好，强度较设计值偏低，局部有破损。

③廊道渗流问题。灌浆排水廊道拱顶及侧边墙均有较多的裂缝，裂缝存在渗水或有白色物质析出等现象。水平灌浆排水廊道坝基排水孔冒水翻砂土。

3.2 大坝渗流安全评价

根据龙潭河水库工程现状，建立龙潭河浆砌石重力坝三维渗流有限元模型。根据《水库大坝安全评价导则》（SL258-201X），选取设计工况和校核工况下的水位进行渗流分析。

龙潭河水库在设计水位和校核水位作用下溢流坝段和非溢流坝段典型剖面渗流场位势分布图见下图所示。

坝体浆砌石填筑不密实，坝体及排水廊道出现裂缝，在设计工况和校核工况时，坝基扬压力较大，非溢流坝段设计工况和校核工况下廊道位置坝体浸润线高程分别为 188.41m和 188.59m，均高于坝体廊道底高程186.00m，坝基排水孔处扬压力折减系数为0.42，大于设计折减系数0.30；溢流坝段设计工况和校核工况下廊道位置坝体浸润线高程分别为190.46m和 190.69m，均高于坝体廊道顶高程190.00m，坝基排水孔处扬压力折减系数为0.38，大于设计折减系数0.30。致使廊道边壁裂缝渗水。坝踵建基面处的渗透坡降较大，非溢流坝段最大渗透坡降为12.25，溢流坝段最大渗透坡降为14.0，极有可能导致新老层面接触面发生渗透破坏，引起坝基渗流量增大，这与排水廊道排水孔冒析出物的现象也是吻合的。

溢流坝段和非溢流坝段典型剖面设计、校核工况下坝体和坝基位势分布图

综上所述，根据《水库大坝安全评价导则》（SL258-201X），龙潭河大坝渗流安全等级评价为“C”级。

4 大坝运行管理评价

桐柏县龙潭河水库工程建设管理处自水库投入运行以后，贯彻执行国家的法律、法规和规范，同时结合龙潭河水库的具体情况，制定了一套切实可行的规章制度，并能较好地实施，基本能够满足水库运行管理需要。但水库大坝上游防渗面板存在较多的蜂窝麻面、孔洞、微裂缝、混凝土剥落等现象，溢流坝段局部面板突起，坝下游面绕坝渗漏明显，且随着库水位升高渗漏量有所增大；大坝廊道及防浪墙等裂缝严重，防浪墙台帽混凝土有破损、剥落现象；泄水管和输水管受到各种水质、气体、日光和水生物的侵蚀，以及水流、泥沙、漂浮物的冲击摩擦，加上结构材质本身具有电化学性能的不均匀性，钢管表面普遍发生不同程度的腐蚀，钢材结构的承载能力降低；水库未能够按照《水库工程管理通则》（SLJ T02-81）执行，对工程设施进行维修养护，工程处于病险状态状态运行。

综上所述，根据《水库大坝安全评价导则》（SL258-201X），综合评价龙潭河水库大坝运行管理为“差”。

5 大坝结构安全评价

根据龙潭河水库工程现状和规范要求[6-9]，采用材料力学法和有限元法复核坝体和坝基强度以及采用刚体极限平衡法复核坝体和坝基稳定，对大坝结构安全进行评价。

5.1 材料力学法强度复核

采用材料力学法复核设计和校核两种工况下坝体和坝基的应力强度，计算结果见表1所示。

计算结果表明，设计和校核工况下，坝趾处压应力均不大，抗压强度安全系数满足规范要求；在设计和校核工况下，坝踵处均未出现拉应力，抗压强度安全系数满足规范要求。

5.2 有限元法强度复核

为了进一步复核坝体和坝基的应力强度，采用有限元法对设计和校核两种工况下溢流坝段和非溢流坝段坝体和坝基应力进行分析。利用ABAQUS建立三维有限元模型，用于模拟坝体浆砌石和坝基岩体，单元的剖分应尽量达到设计所要求的精度，单元形式结合浆砌石重力坝体型合理选用。不同坝段坝体应力特征值计算计算结果见表2和表3所示。

溢流坝段和非溢流坝段坝体应力计算成果 表1

溢流坝段最大剖面坝体控制部位应力特征值（kPa） 表2

非溢流坝段最大剖面坝体控制部位应力特征值（kPa） 表3

不同坝段坝基抗滑稳定安全系数 表4

计算结果表明，非溢流坝段设计和校核工况下应力分布均符合一般规律，即坝体最大压应力发生在坝趾，最大拉应力发生在坝踵。非溢流坝段最小主应力均为压应力，但是，最大主应力在非溢流坝段设计和校核工况下均出现了拉应力，出现在上游坝踵处，但是范围极小，拉应力区宽度小于坝底宽度的7%，两种工况下最大拉应力分别为0.34MPa和0.40MPa，小于坝体允许抗拉强度；溢流坝段在设计和校核工况下应力分布均符合一般规律，即坝体最大压应力发生在坝趾，最大拉应力发生在坝踵。溢流坝段最小主应力均为压应力，但是，最大主应力在溢流坝段设计和校核工况下均出现了拉应力，出现在上游坝踵处，但是范围极小，拉应力区宽度小于坝底宽度的7%，两种工况下最大拉应力分别为0.422MPa和 0.495MPa，小于坝体允许抗拉强度。

5.3 稳定复核

根据《浆砌石坝设计规范》（SL 25-2006），采用刚体极限平衡法对非溢流坝段和溢流坝段进行抗滑稳定分析。溢流坝段和非溢流坝段垫层混凝土与接触面滑动抗剪摩擦系数取0.60，浆砌石体之间滑动抗剪摩擦系数取0.55，浆砌石体与垫层接触面之间0.55，计算结果见表4所示。

计算结果表明，非溢流坝段和溢流坝段在设计和校核工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

5.4 大坝结构安全评价

坝基和坝体采用材料力学法和有限元法应力强度计算结果以及非溢流坝段和溢流坝段抗滑稳定安全系数虽符合规范要求，但现场检查检测发现上游防渗面板普遍蜂窝、麻面、露筋，溢流坝段局部面板突起，右岸非溢流坝段面板存在贯穿裂缝；溢流坝下游溢流面存在裂缝；防浪墙、廊道裂缝严重，影响结构安全；溢流坝顶部杂草丛生，影响泄洪能力。综合上述，龙潭河大坝结构安全等级根据《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）评为“C”级。

6 金属结构安全评价

泄水管和输水管，由于长期处于水中或是在干湿交替的环境中运行，受到各种水质、气体、日光和水生物的侵蚀，以及水流、泥沙、漂浮物的冲击摩擦，加上结构材质本身具有电化学性能的不均匀性，钢管表面普遍发生不同程度的腐蚀。蝶阀由于长期处于潮湿环境，外壳存在明显涂层失效、剥落显著，龟裂现象。阀门井上部钢井网井盖与井口明显错位。金属结构存在明显安全问题，安全等级根据《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）评为“C”级。

7 结论

在桐柏县龙潭河水库基础资料和计算结果分析的基础上，同时根据《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）和《水库大坝安全鉴定办法》，对龙潭河水库工程地质与工程质量、大坝渗流安全、大坝运行管理、大坝结构安全、金属结构安全进行综合评价，龙潭河水库大坝存在严重病险，属于“三类坝”。

龙潭河水库大坝已运行10余年，目前工程处于病险状态，建议增加大坝安全监测设施、水文测报、防汛抢险交通工具，加强水库安全管理能力；增加大坝Fb断层帷幕灌浆深度，阻止绕左岸渗漏；加固整修大坝防渗面板蜂窝、麻面、露筋现象，增加防渗面板防渗能力；对廊道衬砌重新进行加固，增加其防渗能力；泄水管和输水管钢管表面建议重新涂抹非金属涂层保护钢管正常运行；建议更换蝶阀和阀门井上部钢井网井盖。