陕西省渭南市红石崖水库大坝除险加固设计

姚 亮

(渭南市水利水电勘测设计院,陕西 渭南 714000)

1 工程概况

红石崖水库位于延安市黄龙县红石崖乡曹家河村旁,原设计是一座集灌溉、供水为一体的Ⅳ等小(1)型综合利用水库。坝址以上控制流域面积49.8 km2,2004年除险加固后设计总库容381.93万 m3,其中:兴利库容267.10万 m3,调洪库容92.93万 m3,死库容21.9万 m3。

水库枢纽工程由大坝、溢洪洞、放水洞三部分组成。

泄洪洞位于大坝左岸,进口采用侧堰,堰顶高程1 050.70 m,堰宽15 m,泄洪洞总长276.23 m,其中隧洞段长229 m,校核洪水下泄流量224.6 m3/s。

放水设施位于大坝右坝肩,设计流量1.0 m3/s,设计水深0.61 m,由放水塔、放水隧洞、暗涵组成,其隧洞段长130 m,暗涵60 m。

表1 红石崖水库调洪演算成果表

2 枢纽工程存在的主要问题

根据红石崖水库大坝安全鉴定、核查意见及本阶段工作成果,认为红石崖水库目前存在的问题主要包括:

1)红石崖水库下游坝坡不稳定;坝顶防浪墙浆砌石多处出现墙体裂缝、砂浆脱落现象,整体结构已破坏;大坝下游岸坡排水沟破损、淤积严重,坝面无排水系统及踏步。

2)下游坡戗台与左岸结合部位存在绕坝渗漏。

3)泄洪洞进口侧堰基础存在渗漏,挑流出口外侧沟道冲刷淘刷严重,影响泄洪安全。

4)放水塔内闸门年久失修,锈蚀变形严重,启闭机电动部分损坏,不能正常放水。

3 现状坝顶高程复核

3.1 水文成果

经调洪演算分析,红石崖水库的防洪标准为30 a一遇(P=3.3%)溢洪洞最大下泄流量为94.4 m3/s,设计洪水位为1 052.82 m,300 a一遇(P=0.33%)溢洪洞最大下泄流量为214.2 m3/s,校核洪水位为1 054.17 m。

3.2 坝顶高程计算工况选取

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020),设计坝顶高程为水库静水位与坝顶超高之和,应按以下运用条件计算,取其最大值作为设计坝顶高程。

(1)工况一:设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高;

(2)工况二:正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高;

(3)工况三:校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高;

(4)工况四:正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高+地震安全加高。

3.3 坝顶超高计算

坝顶超高计算公式:Y=R+e+A

(1)

式中:R为波浪爬高(m);e为最大风壅水面高度(m);A为安全加高。

坝顶高程计算成果详见表2。

计算最大坝顶高程为1 054.20 m,原现状坝顶高程为1 054.30 m,高于本次复核坝顶高程,坝顶高程满足防御设计洪水,结构安全,故本次大坝改造坝顶高程维持现状不变。

4 现状坝体渗流及稳定分析

4.1 现状土工膜防渗效果分析

根据水库上游库水位为1038.70 m及上游库水位为1 049.31 m时的实测浸润线的分布与该水位情况下的理论浸润线分布进行对比可知:当上游库水位为1 038.7 m时,实测理论浸润线与无膜理论浸润线基本重合,土工膜没有起到防渗效果(图1);当上游库水位为1 049.31 m时,实测理论浸润线位于无膜理论浸润线和有膜浸润线之间,且靠近位置靠近无膜时浸润线的工况,表明上游土工膜虽然起了一定作用,但由于破损等因素,起到防渗效果较弱(图2)。

表2 坝顶高程计算成果表

图1 库水位为1 038.70 m时实测浸润线与理论浸润线对比图

图2 库水位为1 049.30 m时实测浸润线与理论浸润线对比图

4.2 现状坝体渗流及稳定复核

4.2.1 渗流计算及渗透稳定分析

断面选择:设计选取大坝最大断面处桩号0+077。

(1)计算工况

放水洞运行期设计流量为1 m3/s,依据库容曲线,正常需水工况每天水位降幅很小,故不计洪水位降落工况。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020),结合运行方式,本设计渗流分析计算工况为:

稳定渗流期(上游水位为正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m);

(2)计算参数

坝体分区渗透指标依据地勘资料选取,具体渗流稳定计算参数成果见表3。

表3 坝体分区渗透指标表

(3)渗流计算

计算方法采用渗流场数值分析有限单元法,按照河海大学工程工学研究所研制的水工结构有限元分析系统《AutoBank 7.07》计算程序具体分析计算。计算成果见表4。

表4 坝体填土渗流计算成果表

从表4可以看出,坝体渗透比降小于允许渗透比降,满足规范要求。

大坝渗流分析计算,坝体最大断面单宽渗流量为1.05 m3/(d·m) ,每天渗流量为155 m3/d ,年渗流量5.66万 m3。

4.2.2 现状坝体稳定分析

断面选择:断面选取以大坝最大断面处桩号0+077。

(1)计算工况

该水库大坝位于Ⅶ度地震区,依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2020),确定坝坡稳定分析的工况为:

1)稳定渗流期的上、下游坝坡(上游水位为正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m);

2)稳定渗流期遭遇地震工况的上、下游坝坡(上游水位为正常蓄水位1 050.70 m,下游水位1 017.70 m)。

(2)计算参数

大坝各分区土层物理力学指标见表5。

表5 大坝分区土层物理力学指标

(3)计算方法

计算方法采用简化毕肖普法,利用河海大学工程力学研究所研制的水工结构有限元分析系统《AutoBank 7.07》分析计算。

(4)计算结果

稳定计算采用简化毕肖普法的安全系数,坝体浸润线采用下游有排水棱体及河床无水情况下的计算浸润线,计算结果见表6,上、下游坝坡最危险滑弧位置见下图所示。

表6 现状大坝稳定分析成果表

计算结果表明,大坝桩号0+077断面处上游坝坡抗滑稳定均能满足规范要求,下游坝坡抗滑稳定安全系数在稳定渗流期及稳定渗流期遭遇地震工况均小于规范允许值。

图3 现状坝坡(桩号0+077)正常运行最危险滑弧位置图

图4 现状坝坡(桩号0+077)地震工况最危险滑弧位置图

5 大坝加固方案

根据上述大坝稳定分析结果可知:大坝坝坡稳定安全系数偏小,不满足相关规范的要求,分析其原因,主要由于大坝上游防渗效果不佳,浸润线升高,造成饱和土体的增加,抗剪强度降低造成的,本次设计主要从降低坝体浸润线和坝坡培厚等方案解决大坝失稳问题。

(1)方案一:降低大坝浸润线

从实测浸润线观测的结果,可知大坝上游防渗效果不佳,本次方案一沿坝轴线现浇C25砼导墙,导墙内利用冲击钻机+抓斗进行成槽,形成40 cm塑性砼防渗墙。防渗墙墙顶上限为水库正常蓄水位加50 cm(1 051.20 m),下限为嵌入基岩以下1.5 m,防渗范围为整个坝段。该方案无需对坝坡进行培厚,后期的水保、环保措施费用相对较低,但施工费用偏大。

(2)方案二:坝体培厚

该方案施工工序简单,质量有保证,施工费用相对较低,但施工周期长。

经综合分析,选择大坝下游培厚方案。经稳定分析计算,大坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数满足规范要求,培厚后的下游坝坡安全系数见表7。

表7 培厚后坝体稳定分析成果表

6 结语

红石崖水库大坝除险加固初步设计编制工作于2022年7月顺利通过了省水利厅组织的专家评审。目前,水库除险加固施工正在进展中,预计2023年6月水库除险加固圆满结束。随着除险加固工作的完成,水库将会发挥其原有的灌溉、供水功能,给当地村民带来巨大的效益。