某水利工程结构安全分析与评价

郭 廷

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000)

水利工程作为关系国计民生的重要基础建设工程，其安全性至关重要。由于我国水利工程项目众多，基层水利安全监管力量薄弱，部分水利工程年久失修，病险状况严峻，亟待对其进行安全分析评价[1]。由于结构安全是整个水利工程安全的关键部分，因此，研究如何对众多水利工程的结构安全进行科学的分析、评价，并对其存在的问题采取措施予以解决，对提升水利工程的安全性和防洪能力，保障国家的工农业生产，都具有重要的现实意义[2]。

1 工程概况

某水利工程是一宗以防洪、灌溉为主的大型水利枢纽工程，工程校核洪水位142.982m(p=0.033%)，设计洪水位142.026m(p=0.2%)，汛限水位137.5m，正常蓄水位138.0m，死水位132.5m。工程于1957年建成，后经四次加固扩建形成现有工程，对当地的农业生产和防洪发挥重要作用。

该工程主坝存在的问题有：①右岸迎水面局部坝段无干砌石护坡，填土裸露；②右岸背水面有局部塌陷；③防浪墙表层破损，未形成闭合；④坝顶混凝土路面局部裂缝；⑤背水面的排水沟在库水位达到137.2m时有渗清水现象。

副坝存在的问题有：①各个副坝的浆砌石防浪墙普遍存在表层砂浆保护层脱落现象；②左1#副坝坝后在库水位138m时，周边农田有冒水点；③左3#副坝右岸防浪墙有一个缺口，未形成闭合；④左3#副坝背水坡排洪涵出口有培土种植，阻碍行洪。

根据主、副坝存在的问题，亟待对其进行结构安全分析评价。

2 结构安全分析评价

选择影响该水利工程结构安全的关键指标：大坝结构安全设计复查、溢洪道设计复核、输水建筑物安全复核、排沙箱涵结构复核四个方面，进行结构安全分析评价。

2.1 大坝结构安全设计复核

2.1.1大坝坝顶高程复核

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)规定，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和[3]。坝顶超高按第5.3.1条确定，按下式计算：

Y=R+e+A

(1)

式中，A—安全加高，m，对2级建筑物，正常运用条件取1.0m，非常运用条件取0.7m；R—最大波浪在坝坡上的爬高，m，按莆田试验站公式计算，采用累计频率为1%的波浪爬高值[4]。

波浪计算根据《碾压式土石坝设计规范》SL 274—2020附录A进行计算。

波浪的平均波高和平均波周期采用莆田试验站公式，按式(A.1.5-1)、式(A.1.5-2)计算：

(2)

(3)

平均波长按式(A.1.5-3)计算：

(4)

风壅水面高度按式(A.1.10)计算：

(5)

平均波浪爬高按式(A.1.12-1)计算：

(6)

坝顶超高及坝顶高程计算结果见表1—2。主坝和各副坝坝顶高程和防浪墙顶均能满足规范要求。

表1 主坝坝顶高程计算结果表

表2 副坝坝顶高程计算结果表

2.1.2大坝坝顶宽度及上游护坡复核

根据《碾压式土石坝设计规范》SL 274—2020第5.4.1条规定，坝顶宽度如无特殊要求，中低坝可选用5～10m。坝高30m以下为低坝，坝高30～70m为中坝，该水利工程最大坝高为24m，为低坝，主坝坝顶现状宽度8m，副坝坝顶现状宽度6m，满足现行规范要求。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)，砌体护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和质量、平均粒径、平均质量和厚度，可以按式(A.2.1.-1)～(A.2.1.-4)确定。计算结果见表3。

表3 大坝迎水坡护坡厚度计算结果表

根据设计图纸与现场检查情况，右1#和右8#副坝上游为草皮护坡，副坝为土坝，上游应设置可消减风浪、防波浪淘刷、抵抗漂浮物撞击护坡形式，因此右1#和右8#护坡不符合规范要求。其余大坝迎水坡护坡为厚度0.35m的干砌石，实际护坡厚度大于计算厚度，砌石底部设有砂碎石垫层，其余大坝迎水坡护坡厚度符合规范要求。

2.1.3坝坡抗滑稳定复核计算

(1)坝体稳定分析断面。主坝由于坝基基础不同，分别采用0+250(地基存在砂层)和0+610断面作为本次复核稳定分析的典型断面，选取各副坝横剖面的最大坝高处断面进行稳定分析计算。

(2)大坝各岩土层物理力学指标。主坝0+250断面渗流、坝坡稳定计算的主要参数，见表4。主坝0+610断面渗流、坝坡稳定计算的主要参数，见表5。

表4 主坝0+250断面渗流、坝坡稳定计算的主要参数表

表5 主坝0+610断面渗流、坝坡稳定计算的主要参数表 单位：cm/s

(3)稳定安全系数的选择。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)，坝坡抗滑稳定最小安全系数，正常运用条件时取1.35，非常运用条件Ⅰ时取1.25。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)，坝体抗滑稳定复核，采用简化毕肖普法。稳定系数计算公式为：

K=∑{[(W±V)secα-ubsecα]tgφ′+
c′bsecα}[1/(1+tanαtanφ′/K)]/
∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(7)

坝坡稳定计算采用南京水准科技有限公司研发的“AutoBANK7.7”软件，用简化毕肖普法计算坝坡最小抗滑稳定安全系数[7]。坝体浸润线采用相应工作条件下的渗流计算结果。坝坡稳定计算安全系数结果见表6—7。

表6 主坝稳定计算坝坡最小安全系数结果表

表7 副坝稳定计算坝坡最小安全系数成果表

由坝坡稳定计算结果可知，各大坝在正常运用条件下，背水坡坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于1.35，在非常运用条件下，背水坡坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于1.25，各大坝均满足规范要求。

2.1.4大坝结构设计复核结论

(1)坝顶及防浪墙顶高程满足设计要求。

(2)坝体上游均为干砌石护坡，厚约30～50cm，块石为弱风化状，坝面较平整，未发现的坝面沉降现象，但在迎水面板右岸有部分区域未铺护面干砌石，有土体裸露，应尽快完善以免长期遭受水流淘刷。

(3)采用复核后的水库水位和现状坝断面进行大坝抗滑稳定计算，大坝迎、背水坡在各种工况下，抗滑稳定最小安全系数均满足规范规定的要求。

2.2 溢洪道设计复核

2.2.1溢洪道泄流能力复核

根据控制段及泄槽的布置型式，本闸为非淹没出流。泄流能力采用《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)附录A(A2.3.1)的计算公式[8]：

(8)

对于流量系数m，设上游堰高为P1，本工程取1.0，则：

当P1/H0≤0.24时，m=0.385+0.171(P1/H0)0.657

(9)

当P1/H0>0.24时：m=0.414(P1/H0)-0.0652

(10)

对于多孔宽顶堰，侧收缩系数ε：

ε=[εz(n-1)+εb]/n

(11)

(12)

(13)

式中，闸墩形状系数K，矩形取0.19，圆弧取0.10。

堰顶高程为128.0m。

排沙箱涵泄流能力按公式计算：

(14)

查询溢洪道水位与流量关系表可知，闸门全开时，计算得出的设计及校核洪水位下溢洪道的泄流量分别为2165和2376m3/s(均已含排沙箱涵泄流量)，能满足设计及校核洪水位下溢洪道的最大泄流量分别为2083和2352m3/s的要求。

2.2.2溢流水面线复核

根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)，起始断面从反弧末端收缩断面(桩号0+056)算起，起始断面水深按下式计算：

(15)

式中，θ—起始计算断面流速系数，取0.95[9]。

水面线根据能量方程，采用分段求和法计算，计算公式采用《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)中(A.3.1-1)、(A.3.1-2)式。式中，α1、α2—流速分布不均匀系数，取1.05[10]；θ—泄槽底坡角度，取14°；i—泄槽底坡，i=tgθ，取0.25；n—泄槽槽身糙率系数，取0.014。

泄槽段水流掺气水深按下式计算：

hb=(1+ξv/100)h1

(16)

水面线计算结果见表8。

表8 溢洪道泄槽校核情况水面线计算结果表

当最大泄量时，根据计算结果，泄槽段边墙高度均满足规范要求。

2.2.3溢洪道消能工复核

本工程消力池基础为弱风化泥质粉砂岩，消能方式为底流消能，采用《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)附录A.6的计算公式计算。

溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准采用50a一遇(P=2%)，流量以450m3/s来进行复核。

消力池深度采用《水闸设计规范》(SL 265—2018)附录B中B.1.1-1～B.1.1-4计算[11]。式中，σ0—水跃淹没系数，取1.05；α—水流动能修正系数，取1.05。

消力池长度根据《水闸设计规范》(SL 265—2018)附录B中B.1.2-1～B.1.2-2计算，海漫长度根据《水闸设计规范》(SL 265—2018)附录B中B.2-1计算。根据施工图《A标段溢洪道结构总布置图》(图号：DZ86D.5-4-01)，50a一遇洪水时消力池深度为3.1m，范围0+106.56～0+0+166.56，长度为60m，消力池设辅助消能工海漫范围0+167.56～0+233.06，长度为65.5m。溢洪道的泄流能力和消力池的消能效果，能保证上游库区和下游河道的泄流安全，满足设计要求。

2.2.4溢洪道泄洪闸墩顶部高程复核

本工程校核洪水位为142.026m，因此，溢洪道泄洪闸闸墩顶部高程要求在宣泄校核洪水时为142.026+0.4=142.426m(2级建筑物安全价高下限值，泄洪工况时取0.4)，实测闸墩顶高程144.0m，所以现状溢洪道泄洪闸闸墩顶高程能满足规范要求。

2.2.5溢洪道泄洪闸闸墩及堰体稳定复核

(1)岩土物理力学指标。溢洪道控制段基础为弱风化泥质粉砂岩，地基产生不均匀沉降的可能性较小，闸基岩石(体)物理力学参数建议值，见表9。

表9 闸基岩石(体)物理力学参数建议值

(2)计算公式。抗滑稳定计算采用抗剪断强度公式，公式如下：

(17)

式中，f′—抗剪断摩擦系数，弱风化岩取0.8；C′—抗剪断黏聚力系数，弱风化岩取0.7MPa。

(3)基底应力计算。

(18)

泄洪闸闸室基础为岩基，根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)7.3.14条，抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数K1，荷载组合为基本组合时K1取3.0，特殊组合I时K1取2.5.

(4)计算工况。闸墩及堰体稳定复核计算正常运用工况：①水库正常蓄水位，闸门关闭时闸墩及堰体稳定复核计算；②水库设计洪水位，闸门关闭时闸墩及堰体稳定复核计算。非常运用工况I：水库校核洪水位，闸门全开时闸墩及堰体稳定复核计算。

(5)复核结果。闸室稳定应力复核结果见表10。

表10 闸室稳定复核结果

计算结果表明，溢洪道基底没有产生拉应力，最大垂直正应力小于地基承载力，抗滑稳定安全系数大于规定的最小值，满足规范要求。

2.2.6溢洪道边墙结构稳定复核

边墙地基主要力学指标同闸室，详见闸基岩石(体)物理力学参数建议值。

(1)计算工况。边墙结构复核计算的工况：①基本组合：正常蓄水位；设计洪水位；②特殊组合I：校核洪水位置。

(2)挡土墙抗滑稳定安全系数的允许值。抗滑稳定计算采用式(17)计算。

(3)复核成果。挡土墙稳定复核计算结果见表11，计算结果表明边墙抗滑及抗倾稳定满足规范要求，基底最大垂直压应力小于地基容许压应力(弱风化泥质粉砂岩)，基底不出现拉应力，均满足规范要求。

表11 挡土墙稳定复核计算结果

2.2.7溢洪道结构设计复查结论

(1)经复查，溢洪道泄洪闸过水能力能满足最大泄流量的要求。

(2)溢洪道泄槽段最大泄流时的水面线复核结果满足规范要求，溢洪道闸墩顶部高程满足规范要求。

(3)溢洪道泄洪闸闸室闸墩、堰体、边墙满足抗滑、抗倾覆稳定要求，地基承载力满足要求。

(4)消能工复核满足规范要求。

2.3 输水建筑物安全复核

2.3.1电站进水口事故闸安全复核

电站进水口事故闸基础为弱风化泥质粉砂岩。

计算工况：选用正常蓄水位138.00m，检修工况进行复核；检修工况为特殊组合I；电站进水口事故闸闸室稳定复核结果见表12。计算表明2个闸基抗滑稳定和基底应力均满足规范要求。

表12 电站进水口事故闸闸室稳定复核结果

2.3.2电站输水涵管安全设计复核

(1)过流能力计算。电站1进水口事故闸于在输水涵管前段内套Φ2.35m钢管，涵管进口中心线高程为128.5m，电站2套Φ1.55m钢管，进口中心线高程为129.6m。

输水涵管加套管加固后的过流能力复核如下：

(19)

式中，uc—管道流量系数，取0.4。

计算得输水涵管的水位～流量见表13。

表13 输水涵管水位～流量表

(2)内套钢管结构复核。承受内水压力计算公式：

(20)

(21)

式中，γ0—结构重要性系数；水工建筑物级别2级，钢管结构安全级别Ⅱ级，取1.0；ψ—设计状况系数；持久状况，取1.0；rd—结构系数；管型为坝内埋管，内力种类为轴力单独校核，取1.0；f—钢材强度设计值(N/mm2)，Q345钢材对应的值为295。

抗外压稳定计算公式：

(22)

式中，Re—钢材屈服点，N/mm2，取规范中表4.1.4中fsk，Q345钢材对应的fsk=330N/mm2。

计算成果见表14—15。根据水电站压力钢管设计规范(NB/T 35056—2015)9.1.1条对管壁的厚度要求，当钢管内径<1.6m时，最小厚度为6mm[12-13]。

表14 钢管承受内压强度复核计算表

表15 钢管抗外压稳定复核计算表

计算结果表明，钢管实际管壁厚度大于复核计算厚度，管壁抗外压稳定安全系数满足规范要求，因此原加固设计采用10mm满足要求。

2.4 排沙箱涵结构复核

工况情况：①基本组合：水库正常蓄水位138m，箱涵无水；②特殊组合：水库校核洪水位142.982m，箱涵无水。

计算成果表明，实际配筋可满足正常使用及裂缝宽度开展要求。

2.5 排洪涵结构复核

结合排洪涵实际情况，工况情况同排沙箱涵。土压力取箱涵覆土高度土重，外水压力取计算位置处浸润线水头，箱涵计算断面取坝轴线处[14]。计算成果表明，实际配筋可满足正常使用及裂缝宽度开展要求。

3 结果

(1)各坝的坝顶高程满足规范要求，大坝上游护坡除右1#和右8#副坝为草坡护坡易被波浪淘刷，不满足规范要求外，其余大坝的干砌石护坡厚度均满足规范要求，在各种工况下背水坡坝脚渗透量较小。大坝在计算的各工况下，抗滑稳定性满足规范要求。

(2)泄水建筑物过流能力能满足泄流要求，溢洪道进水渠侧墙顶部高程满足规范要求，控制段、泄槽段侧墙顶部高程均满足规范要求；闸室闸墩、堰体、边墙满足抗滑、抗倾覆稳定要求。消力池距大坝下游坝坡有约55m距离，消力池出现险情时不会危及大坝安全，满足要求。

(3)电站进水口稳定、应力均满足规范要求，输水涵结构强度满足要求，输水涵经过前期加固处理，目前运行正常。

(4)排沙箱涵与龙北排洪箱涵计算成果表明，实际配筋可满足承载力极限状态及正常使用状态裂缝开展宽度要求。

整体而言，大坝坝体及输、泄水建筑物结构安全，但个别副坝上游护坡易被波浪淘刷，不满足规范要求，故结构安全等级评价为B级。

4 建议

结合该水利工程大坝存在的问题，提出以下建议。

(1)对主坝和左1#副坝局部坝段进行灌浆防渗处理，增加右1#、右8#上游干砌石护坡及反滤层，右1#、右2#和右7#副坝下游贴坡排水体设置，加高左2#、左4#副坝贴坡排水体。

(2)主坝上游坝坡尽快完善护坡，坝顶防浪墙进行修整恢复，坝顶泥结石路面及防汛路面按原设计标准进行砼硬化。

(3)对溢洪道泄槽底板、隔流墙、边墙的裂缝和局部渗水点进行处理，以免对附近农田造成不利影响[15]。

(4)处理排沙和排洪箱涵的渗漏、裂缝、露筋等缺陷，并增加事故闸门。

(5)对溢洪道、排沙箱涵的工作闸门面板及溢洪道工作闸门主梁结构，不符合规范要求的，进行加固或更换处理。

综上所述，该水利工程结构安全等级评价为B级，评价结果与实际工程的运行情况相符，可为类似的水利工程结构安全评价提供一定的参考价值。