纸坊沟水库大坝安全综合评价

李 鑫

(平凉市泾东水利水电勘测设计有限责任公司，甘肃 平凉 744000)

0 引言

对已建水库定期开展水库安全评价工作至关重要。目前我国存在37000余座病险水库，其不仅不能发挥正常效益，还存在溃坝风险，严重危害社会公共安全与经济持续发展[1]。及时掌握水库安全状况、根据安全评价结论采取相应的管理措施和除险加固方案，从而确保水库坝体安全运行，对充分发挥水利基础设施的工程效益具有显著的促进作用。

1 水库概况

纸坊沟水库位于泾河南岸一级支流纸坊沟下游，属纸坊沟梯级水库群最末端，纸坊沟流域坝系分布图见图1。大坝为黄土碾压均质坝，最大坝高29 m。是一座确保平凉市区防洪安全的小(1)型滞洪性水库。下游保护平凉市崆峒区主城区人民群众的生命财产安全。坝址以上控制流域面积18.03 km2，主沟道长14.87 km，沟道纵坡比降4.34%。水库始建于1955年，后经历两次改扩建和一次除险加固后形成水库现有规摸，水库库容为234万m3，主要建筑物按4级设计，设计抗震设防烈度Ⅶ度。现状水库防洪标准为50年一遇洪水进行设计，500年一遇洪水进行校核。

图1 纸坊沟流域坝系分布图

2 安全评价

2.1 大坝工程质量评价

从坝体、坝壳、坝基及输水建筑物对大坝工程质量予以评价。

2.1.1 坝体横断面结构

水库拦水大坝为黄土碾压均质坝，最大坝高29 m，坝顶长295 m，坝顶宽5 m。淤泥面以上上游坝坡坡比自上而下为1∶2.89、1∶3.28；下游坝坡坡比自上而下为1∶1.92、1∶2.42，上下游均采用草皮护坡，上下游变坡处均设马道，马道宽1 m。前后坝坡及坝顶在外观上均无裂缝或滑动现象，坝坡基本完好。

2.1.2 坝壳质量评价

坝坡填筑土设计干容重1.6 t/m3、湿容重1.87 t/m3、含水率17%，要求土料级配均匀，大于5 mm粒径含量不超过3%，压缩系数小于0.025 cm2/kg，有机质含量小于3%，水溶盐含量小于2%，渗透系数小于1×10-4m/s，土料的液限和塑限指标分别控制在30%和20%内；因此，坝体填筑质量可以满足现行规范要求，工程质量评价为合格。

2.1.3 坝基工程质量评价

坝址处沟床呈“U”字型，沟床宽度30 m～133 m，为砂砾石冲积层。左岸沟床以上10 m高度范围覆有1 m～3 m厚黄土，下为砂砾石冲积层，厚约6 m；右岸沟滩有一层5 m厚的红土，沟岸以上5 m～25 m范围内有第三纪红粘土出露。坝址覆盖层土质为轻粉质壤土及重粉质壤土，以重粉质壤土为主。坝址及两岸未发现断裂构造，区域水文地质条件简单，为相对弱透水体，不存在绕渗问题。因此，工程质量符合现行规范要求，工程质量评价为合格。

2.1.4 输水建筑物工程质量评价

现状泄洪洞是1955年建造，2011年除险加固后的水库泄水建筑物，位于大坝左坝肩，采用开敞式竖井泄洪洞进口，总长217.7 m，设计最大泄流量5.88 m3/s；引水土渠长273.3 m；经现场检查和根据水库管理人员确认，泄洪洞施工质量良好，砌筑质量合格。

2.2 防洪能力复核

纸坊沟水库防洪标准及大坝防洪能力基本满足规范要求，洪水基本可安全下泄，大坝防洪安全性评价为A。

2.2.1 防洪标准复核

水库防洪标准为50年一遇洪水设计、500年一遇洪水校核，符合《防洪标准》(GB 50201-2014)有关规定，水库防洪标准满足规范的要求。

2.2.2 设计洪水复核

经洪水计算复核，水库设计和校核洪水洪峰流量、洪水总量50年一遇区间洪峰流量50.30 m3/s、洪水总量33.28万m3；500年一遇区间洪峰流量78.62 m3/s、洪水总量52.77万m3。

2.2.3 库容曲线复核

安全评价中在原库容曲线的基础上，对新的淤积高程和淤积库容进行修正，修正点绘库容曲线。认定淤积高程已达1398.42 m，淤积库容128.11万m3。

2.2.4 水位泄流曲线复核

经现场勘查和计算复核，泄洪洞易发生堵塞和淤积，造成泄流能力变小，溢洪道泄流能力基本正常。

2.2.5 调洪计算

纸坊沟水库泄洪设计工况包括正常运行、非正常运行两种条件。起调水位定为溢洪道底板高程为1401.30 m。纸坊沟水库为保护下游城镇安全，水库最大允许下泄量不得超过25 m3/s，水库调洪计算采用“单辅助线”法，对不同频率洪水进行调节计算，求得最高洪水位和相应最大下泄流量。纸坊沟水库调洪成果见图2～图5。

图2 P=0.2%正常运行工况下调洪计算曲线

图3 P=0.2%非正常运行工况下调洪计算曲线

图4 P=2%时正常运行工况下调洪计算曲线

图5 P=2%时非正常运行工况下调洪计算曲线

根据表1对纸坊沟水库进行P=0.2%和P=2%洪水进行调洪演算成果，可知水库现状坝顶高程1407.20 m，原设计洪水位为1402.80 m，校核水位为1405.30 m，均与复核计算基本一致，无需调整。

表1 调洪计算成果对比表

2.2.6 坝顶高程复核

经复核计算坝顶高程为1406.47 m，现状坝顶高程为1407.20 m，高于计算坝顶0.73 m，现状坝顶高程满足规范要求。

2.3 大坝渗流安全评价

大坝渗流由坝体渗透和坝肩绕渗两部分组成，其中坝肩渗漏通过采取工程措施后，一般不会对大坝造成渗流稳定破坏，坝体渗流稳定分析仅选取典型横剖面，确定坝体浸润线的位置，了解坝内渗流形态，确定坝体和坝基的渗流量，评价坝体是否会产生渗透破坏。

2.3.1 计算方法

按不透水地基带铺盖下游无排水设备的均质土坝计算。计算公式如下：

上游段：

(1)

中间段：

(2)

下游段：

(3)

2.3.2 计算结果

计算得到坝体和坝基处的平均水力坡降，计算结果见表2。

表2 渗透坡降计算成果表

可知纸坊沟水库在遭遇50 a一遇洪水及500 a一遇洪水时，坝体和坝基的渗透坡降J均小于允许水力坡降[Jk]。

2.3.3 评价结论

经现场观察和水库管理人员长期观测分析，纸坊沟水库大坝坝体及坝基渗透坡降均小于允许水力比降，坝体及坝基渗透是稳定的，均不存在渗透破坏问题。根据现场勘查和实验检测，未发现存在严重渗漏问题。结合分析，坝体渗流评价为A级。

2.4 大坝结构安全评价

土坝稳定分析的计算目的是复核土坝在自重、渗透压力、孔隙压力和其他外荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝基的整体或局部剪切破坏。

经现场检查和稳定分析复核计算，水库大坝上、下游坝坡坝坡抗滑稳定性满足规范要求；溢洪道外观存在少量浅层裂缝，且存在较多淤泥，生物侵害严重；引水渠左侧导流墙损坏，溢洪道进口引渠衬砌右岸顶部土质边坡存在坍塌隐患；泄洪洞竖井处淤积面高程已超过泄洪洞竖井进口高程。洪水来临易坍塌而造成淤堵，进口段底板磨损，砂浆剥落，出口洞帘左侧侧墙有一45°斜向裂缝，消力池两侧侧墙均向渠内倾斜，有倒塌危险。综合分析，大坝结构安全评价为C级。

2.5 大坝抗震安全评价

控制大坝稳定的有施工期、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，稳定系数计算见表3。

表3 坝坡稳定抗震计算成果表

从大坝抗震稳定计算成果可得出：坝体稳定复核计算坝体上、下游坝坡在设计水位遇地震时，坝体的最小稳定安全系数均大于规范规定的允许安全系数，坝体抗震满足要求。综合分析，大坝抗震安全评价为A级。

2.6 金属结构安全评价

纸坊沟水库现状金属结构设备有：溢洪道平板铸钢工作闸门2扇，配备型号为LQ-500-S/D型启闭机两台、P×B-1型保安配电柜及TF14-P型动力配电柜各一面。

2.6.1 钢闸门安全评价

(1)溢洪道金属结构布置、设计基本合理。工作闸门及其启闭设备均为合格产品。安装后的闸门基本能顺利运行；

(2)溢洪道工作闸门门体轻微锈蚀，二号闸门启闭时与闸槽上游混凝土水平拉梁相互摩擦，影响闸门垂直启闭。门槽内存在垃圾存在泥沙淤积和垃圾卡阻现象。

2.6.2 电气设备安全评价

纸坊沟水库T接10kV-121平峡线二沟村分支供电线路，由于坝址区用电负荷较小，坝址区供电满足二级负荷供电系统设置要求。依据溢洪道闸门启闭运行工况配备型号为LQ-500-S/D型启闭机两台、P×B-1型保安配电柜及TF14-P型动力配电柜各一面均正常运行，满足闸门启闭的供电及现场手动控制要求，现场测试闸门启闭正常运行。

2.6.3 评价结论

纸坊沟水库金属结构设备备用电源不具备紧急切换条件，溢洪道二号闸门启闭时与闸槽上游混凝土水平拉梁相互摩擦，影响闸门垂直启闭；工作闸门门体轻微锈蚀、闸槽存在泥沙淤积和垃圾卡阻现象。因此，水库金属结构安全评价为B级。

3 结论

根据评价内容，纸坊沟水库工程质量评价为合格，防洪能力复核为A级，渗流安全评价为A级，结构安全评价为C级，抗震安全评价为A级，金属结构安全评价为B级。综合各项安全评价结论，纸坊沟水库大坝安全综合评价为三类坝，属病险库。

依据安全评价结论，应及时制定除险加固方案，着重解决坝体结构安全，优化安全监测系统，加强科学监测，确保枢纽工程运行安全。