丰仪山水库安全评估及加固方案研究

王 鑫

（抚州市城市用水管理办公室，江西 抚州 344000）

0 引言

确保水库安全运行需要定期开展水库大坝安全评价，及时掌握工程的安全状况，并对出现病险的水库及时采取控制和除险加固[1]。全面地开展水库安全评价工作，准确提出大坝、溢洪道、输水涵管等建筑物存在的问题和安全形态，为水库大坝安全鉴定、水库除险加固设计提供科学决策依据[2]，可保障水利工程安全运行效益的发挥。丰仪山水库从坝体防洪设计标准、结构安全及附属设施现状等方面展开评价，依据相应的评估结论设计了科学、经济的加固方案，为水库除险加固工作提供思路。

1 工程安全评估

1.1 工程概况

丰仪山水库位于抚州市东乡县杨桥镇园艺场，距东乡县城约20 km，坝址坐落在信江水系东乡河支流上。坝址以上集雨面积1.00 km2，主河道长1.66 km，河道比降0.0071，总库容为68.76×104m3，设计灌溉面积400亩，实际灌溉面积350亩，是以灌溉为主，防洪、养殖兼顾的综合利用性小(二)型水利工程。

1.2 安全评估

根据地勘报告及设计安全复核，按《江西省小（2）型水库大坝安全评估技术规定》丰仪山水库大坝属Ⅲ类坝，不能安全运行，必须尽快对水库大坝、溢洪道及附属设施进行除险加固，恢复正常运行。

丰仪山水库经评估主要存在以下几方面问题。

1.2.1 坝体高程

大坝为粘土均质坝，坝顶高程48.45 m～48.79 m，顶宽4.90 m～5.50 m。上游坝坡坡比为1∶2.35，下游坝坡坡比为1∶2.6。水库设计洪水标准为10年一遇，校核洪水标准为50年一遇。计算坝体超高结果见表1。

表1 坝顶高程安全复核表

由表可见，现状坝顶高程达不到规范要求，需统一坝顶高程为49.35 m。

1.2.2 坝体结构

大坝为均质土坝，上游无护坡，坝体土质差，填筑质量不满足要求，坝底清基不彻底，无排水设施。

1.2.3 附属设施

溢洪道现状为土渠，底板及边坡均未护砌，且进口控制段两岸边坡因人为取土而被拓宽，且边坡坍塌严重,末端无消能防冲设施。涵管进口斜卧管混凝土老化，破损严重，无法正常放水。平管为混凝土预制圆涵，混凝土老化破损，接缝漏水水库无水、雨情观测设施和大坝安全监测设施，无通讯交通工具，影响防汛抢险。

2 除险加固方案

针对安全评估存在的问题，对水库进行除险加固，配备相应的管理设施，确保水库大坝正常安全运行。

2.1 大坝加固设计方案

2.1.1 坝顶整治方案

通过坝顶高程复核计算，目前坝顶高程不能满足设计洪水、校核洪水的安全需要。本次设计坝顶高程需49.35 m，坝顶宽度4.00 m，两侧设50 cm×25 cm的C20砼路肩石。为了改善大坝的防汛交通条件，结合水库的运行管理要求，坝顶设置砼路面宽3.5 m，路面倾向下游设2%的横坡，厚度为20 cm。

2.1.2 坝坡整治方案

大坝现状上游坝坡无护坡，下游坝坡为草皮护坡，本次设计对上游坡设计洪水位以上0.5 m至死水位采用厚0.1 m的砼预制块护坡，下设厚0.1 m的砂卵石垫层，以上采用草皮护坡。根据工程的实际情况，上游护坡选砼预制块和干砌块石两种方案进行综合比较。

（1）干砌块石护坡（方案Ⅰ）

砌石护坡厚度参照《碾压式土石坝设计规范》公式计算，见式（1）:

式中:D为石块的换算球形直径，m；Kt为随坡率变化的系数，查表取值 1.3；ρk为块石密度，t/m3；取 ρk＝1.8；ρw为水的密度，t/m3；ρw＝1.0；m为坡度，m=3.00；hp为累积频率为10%的设计波浪高度，hp＝0.471m；t为护坡厚度，m。

经计算得:D=0.186 m，t=0.261 m，根据干砌块石护坡的构造要求及施工技术要求，取干砌块石护坡厚度t=0.3 m，护坡下采用0.10 m厚砂砾石垫层。

（2）砼预制块护坡（方案Ⅱ）

方案Ⅱ为正六边形砼预制块护坡，砼强度为C15，边长0.3 m，参照式（2）计算预制砼护坡板厚

式中:η为系数，装配式取η=1.1；b为沿护坡板向长度，b=0.52 m（分缝间距）；ρc为板的密度，取 ρc=2.4 t/m3；ρw为水的密度，取ρw=1.0 t/m3；hp为累积频率为 1%的波高，hp＝0.584 m；Lm为平均波长，Lm＝7.42 m；m为护坡坡率，m=3.00。

（3）方案比选

以面积1 m2进行两方案工程量及造价比较，见表2。

表2 两方案工程量及造价比较表

从表2中比较结果可知，混凝土预制块护坡（方案Ⅰ）比干砌块石护坡（方案Ⅱ）多6.44元/m2，但方案Ⅱ比方案Ⅰ施工干扰少，质量更容易控制，外形美观，本次加固设计选取砼预制块护坡（方案Ⅱ）为大坝上游护坡方案。

2.2 溢洪道除险方案

根据溢洪道的工程现状及安全评价结论，溢洪道除险加固的主要任务是完建溢洪道，出口新建消力池。

2.2.1 溢洪道边墙

溢洪道进口段及控制段因人为取土被拓宽，地形平坦，现状为土渠，溢洪道基础为坡残积土层，具有弱透水性，抗冲刷能力差。设计完建溢洪道，由于溢洪道进口段、控制段及大部分泄槽段均需回填土方，施工时压实度要求较高，边墙墙背承受土压力较大，故采用C20砼挡墙。

2.2.2 溢洪道消力池设计

根据地形地质条件，采用挖深式消力池衔接陡槽，水流进入消力池底流消能，消力后设泄洪渠。消力池底板高程为44.68 m，设计下泄流量按10年一遇2.63 m3/s。先根据前节所用方法计算出陡槽出口h1=0.05 m，V1=9.40 m/s。消力池底板采用C25钢筋砼结构，边墙为重力式挡土墙，顶宽0.3 m，背水面1∶0.35；消力池底板厚0.30 m，底板纵向设3排φ50排水孔，排距3.0 m。

2.3 坝下涵管除险加固设计

2.3.1 涵管工程布置

根据施工要求及地质条件，现对进口斜卧管拆除重建，开挖重建坝下涵管。根据地质条件以及与下游渠道的衔接，将涵管管线与大坝交线处桩号为0+030，涵管进口底板高程保持高程43.45 m不变。

2.3.2 涵管结构设计

涵管进口采用斜管控制，级差为0.4 m，台阶宽1.4 m,放水孔径为Φ20 cm。斜涵为直径0.6 m预制砼管外包砼0.20 m厚。坝下涵管长31.5 m，涵管分4节，前3节长均为9.0 m，第4节长4.5 m。进口段长4.4 m，消力池长3.8 m。平涵进水口处设闸门，闸门均采用双预制闸门中间回填粘土结构。洞身分缝均设铜片止水一道，并在接缝外包钢筋混凝土截水环，断面为0.4 m×0.4 m。

3 加固后坝体稳定计算

3.1 计算断面

结合地质钻探孔位布置和大坝结构特点，计算选取最大坝高断面作为计算断面，计算断面图经简化处理见图1。

图1 计算断面模型图

3.2 计算方法及工况

大坝坝坡稳定计算可采用瑞典圆弧法，稳定渗流期按有效应力法计算坝坡的稳定最小安全系数，非稳定渗流期分别按总应力法和有效应力法计算坝坡的稳定最小安全系数。计算工况取为稳定渗流期正常运用情况和非正常运用情况组合。

3.2.1 正常运用条件

正常工况:上游水位为正常蓄水位47.00 m，下游地面高程。

设计工况:上游水位为设计洪水位47.42 m，下游地面高程。

3.2.2 非常运用条件校核工况:上游水位为校核洪水位47.61 m，下游地面高程。库水位非常降落1:上游水位从校核洪水位47.61 m骤降至溢洪道堰顶高程47.00 m处。

库水位非常降落2:上游水位从正常蓄水位47.00 m骤降至坝前1/3高程44.20 m。

3.3 计算成果

3.3.1 稳定渗流期下游坝坡稳定计算

计算结果表明，大坝设计水位和正常水位两种工况下形成稳定渗流时，三个计算断面下游坝坡抗滑稳定系数均大于规范值1.15，满足规范要求；校核水位工况下形成稳定渗流时，三个计算断面下游坝坡抗滑稳定系数均大于规范值1.05，达到规范要求。坝坡抗滑稳定系数的变化符合断面所取位置及断面的一般规律，见图2、图3。

图2 下游坝坡稳定计算结果（正常蓄水位）

图3 下游坝坡稳定计算结果（设计洪水位）

3.3.2 库水位降落期上游坝坡的稳定计算

计算结果表明，库水位从校核水位47.61 m降至溢洪道堰顶高程47.00 m时，大坝计算断面上游坝坡最小抗滑稳定安全系数按有效应力法和总应力法计算均大于规范值1.05，满足抗滑稳定要求；库水位从正常水位47.00 m降至坝前1/3高程44.20 m时，计算断面上游坝坡最小抗滑稳定安全系数按有效应力法和总应力法计算大于规范值1.05，满足抗滑稳定要求，见图4、图5。

图4 非常降落1上游坝坡稳定计算结果

图5 非常降落2上游坝坡稳定计算结果

4 结语

水库大坝安全评价是做好安全鉴定和设计除险加固方案的前提。安全评价需要专家组现场检查、资料整理复核、各部位专项计算验证，最终得出科学的评价结论。丰仪山水库大坝在前期资料的基础上完成了各专项计算验证，水库综合评估为三类坝。同时采取针对性的设计方案，按照坝体、溢洪道、坝下涵管等附属设施设计了相关除险方案，并完成加固后的稳定计算验证，在满足安全运行要求的前提下节省了方案的技术经济成本。