中小型水库大坝安全评价要点及方法探析

覃 情

（柳州水利电力勘测设计研究院,广西 柳州 545000）

1 引言

我国正在运行的中小型水库中有相当一部分修建于20世纪50年代～70年代,病险问题比较突出,安全鉴定、除险加固也因此成为确保我国中小型水库持续、安全运行的重要举措[1]。安全鉴定是开展中小型水库安全管理工作的基础,2003年,我国水利部颁布了《水库大坝安全鉴定办法》,规定大坝实行定期安全鉴定制度,首次安全鉴定应在竣工验收后5年内进行,以后应每隔6年～10年进行一次。运行中遭遇特大洪水、强烈地震、工程发生重大事故或出现影响安全的异常现象后,应组织专门的安全鉴定[2]。之后又于2017年发布了《水库大坝安全评价导则》,进一步规范了水库大坝安全管理和评价工作。中小型水库修建年代久,中间经过多次除险加固,安全影响因素较为复杂,这为其安全评价工作带来了一定的挑战。本文以广西壮族自治区柳州市柳城县糯米滩水库大坝为例,就中小型水库大坝安全评价的要点及方法进行探讨,以期能够为相关工作提供参考与借鉴。

2 糯米滩水库大坝工程概况

糯米滩水库位于广西柳州市柳城县马山乡龙田村的龙江下游,距柳城县城区35 km,距凤山镇17 km,距柳州约90 km,坝址控制龙江流域集雨面积16350 km2,占龙江流域总面积的96.8%,主河道长度345 km。该工程现状自右至左布置有：右岸水轮泵站、连拱坝段、糯米滩水电站扩建新厂房、糯米滩水电站。其中右岸水轮泵站长81m,启闭平台高程90.92 m,连拱坝段计10拱,为混凝土拱、浆砌石墩连拱坝,长109 m,坝顶高程86.95 m～87.32 m,连拱坝坝高8 m～10 m,坝顶溢流。拦河溢流连拱坝和右岸水轮泵站始建于1972年10月,1974年建成,由于灌溉问题已在另外工程中解决,1990年～至今水轮泵站已停止使用,处于报废状态。糯米滩水库电站1979年初动工,1985年建成投产发电。扩建电站是2003年开工,2005年6月完工。糯米滩水库总库容为0.615亿m3,为中型水库,工程等别为Ⅲ等,主要建筑物级别为3级,电站拦河大坝为混凝土拱砼、筒、浆砌石支墩连拱坝。

糯米滩水库自建成运行至今已有近50年,按照《水库大坝安全鉴定办法》（水建管［2003］271号）的规定,需对水库进行安全鉴定。

3 水库安全评价要点及方法

3.1 基础资料收集、整理和分析

基础资料的收集、整理和分析是水库大坝安全评价的前提和重要基础。一般来说,水库大坝安全评价的基础资料主要包括了大坝的工程特性、工程地质、水文资料以及大坝设计、施工、运行管理、检查监测、除险加固等情况[3]。由于我国很多中小型水库建设年代较为久远以及建设标准较低,很多存在设计资料缺失、缺乏可靠的监测资料等,因此,当基础资料收集不足以满足安全评价的需要时,需要重点通过现场工程测量和安全鉴定勘察采集来获得一手数据,从而为水库大坝的安全鉴定分级提供计算依据与地质资料。

在糯米滩水库大坝安全评价基础资料收集、整理环节,任务落实后,各专业主要负责人员即时收集了《1977年龙江河流山水电站工程初步设计说明书》《1979年糯米滩水力发电厂技施设计说明书》《1999年柳城县糯米滩水电站大坝加固工程竣工验收资料图纸部分》《2003年广西柳城县龙江糯米滩水电站扩建工程初步设计报告及图纸》《2003年广西柳州市柳城县糯米滩水电站扩建工程施工进度、施工完成情况表、审核表、往来函》《2003年广西柳城县糯米滩水电站扩建工程监理综合资料》《2008年广西柳州市柳城县糯米滩水电站连拱坝维修加固初步设计报告及图纸》等资料,并查阅、熟悉相关的资料,对水库大坝的基本情况进行了分析研究。在此基础上,由糯米滩水库管理单位、勘测设计单位等共同组成安全检查工作组,对糯米滩水库现状进行了现场安全检查。现场安全检查采取查阅资料、现场踏勘和座谈讨论方式,查阅了前期勘察、设计、施工、验收及与运行的有关资料,现场查勘并认真听取水库管理单位所作的情况介绍,对糯米滩水库管理设施、运行调度规程、监测设备、大坝、电站厂房、引水及尾水建筑物、交通桥及防汛抢险公路等进行了全面系统的现场检查,并对大坝可能存在异常渗流的地方进行了特别详细的检查。

3.2 大坝安全监测评价

由于很多中小型大坝建设标准较低,限于工程建设时的技术条件、大坝安全管理技术水平和资金投入等问题,在安全监测系统的完备性、监测资料的可靠性方面多有不足,因此,安全监测评价也成为了水库大坝安全评价的一个关键环节。

糯米滩水库属中型水库,大坝为混凝土拱筒、浆砌石支墩连拱坝,主要建筑物级别为3级,按规定应建立有大坝安全监测系统和水情自动测报系统,应设置的主要安全监测项目为：①坝面垂直位移、水平位移、坝基位移；②裂缝变化；③渗流量、扬压力；④上、下游水位、降雨量、气温、库水温。

糯米滩水库现行巡视检查制度主要分为日常、年度和特别巡视检查三部分。水库值班员负责日常巡视检查,一般情况下为每周一次,汛期则根据临近时间缩短为三天或一天一次；年度巡视检查为每年4次,一般在每年的汛前汛后、用水期前后进行,对大坝、溢洪道进行比较全面或专门的巡视检查；特别巡视检查由水库大坝管理单位组织进行,次数不定,主要是在水库大坝、溢洪道等发生特别安全风险时组织特别巡视检查,如特大汛情前后或是大坝出现严重损毁、破坏现象时。糯米滩水库大坝在坝顶设有10个位移观测墩对大坝进行变形监测,但大坝拱间未设有测缝计,大坝拱中坝基未埋设有渗压计,未设置有量水堰；大坝拱处未埋设有应变计；仅在电站厂房进水口及出水口设立有水尺,有人工观测记录,未设置有水情自动测报系统。评价结果为水库监测系统不完备。

3.3 防洪能力复核

根据水库建筑物现状对拦河溢流连拱坝泄流能力重新复核,泄水能力是依据枢纽各部位建筑物的形状进行计算的,其泄流计算公式为：

糯米滩水库溢流连拱坝泄流能力计算成果见表1。

表1 溢流连拱坝下泄流能力计算成果表

下游消能防冲水力复核,当洪水流量超过 Q=3950 m3/s时,下游水位为 87.5 m,已超过堰顶（坝顶）87.00 m,不必再进行效能计算。计算仅对 Q=128 m3/s、Q=470 m3/s、Q=2500 m3/s三个小洪水进行跌水效能计算见表2。

表2 溢流连拱坝下游消能计算成果表

由表2计算成果可知,下游消力池满足规范要求,因此溢流连拱坝不会改变下游河床及岸坡现状。根据计算结果,水流最大流速小于河床岩石抗冲流速（V=6 m3/s）,因此水流冲刷不会危及溢流连拱坝及岸坡的安全。

3.4 渗流安全评价

渗流安全评价的目的是复核大坝渗流控制措施和当前的实际渗流性态能否满足大坝按设计条件安全运行。其主要内容包括：复核工程的防渗和反滤排水设施是否完善,设计与施工质量是否满足现行有关规范要求；查明工程运行中发生过何种渗流异常现象,判断是否影响大坝安全；分析工程防渗和反滤排水设施的工作性态及大坝渗流安全性态,评判大坝渗透稳定性是否满足要求；对大坝存在的渗流安全问题分析其原因和可能产生的危害。

由于糯米滩水库渗流观测资料较少,大坝渗流安全复核只能以理论计算为依据进行渗流安全分析评价。渗流计算选取拱坝段最大坝高断面（河中间）,渗流计算以此断面现状坝体为代表。根据地质勘察报告,连拱坝断面计算模型由两层不同的层组成：①坝体；②基岩。渗流计算参数以岩土实验数据为准,安全复核指标见表3。

表3 连拱坝渗流参数表

渗流计算采用北京理正软件设计研究所编制的二维渗流计算程序理正岩土 6.5 版本,程序的求解方法是基于三角形单元的有限元法,用改进平方根法直接求解线性代数方程组。

渗流有限元分析基本方程为：

连拱坝渗流量计算成果见表4。

表4 连拱坝典型断面渗流计算成果表

安全评价结果显示：大坝防渗完善,大坝渗流形态较正常,不存在明显的渗流安全隐患。原有发电厂房和扩建发电厂房建在弱风化灰岩、硅质灰岩上,地质条件良好。安全评价现场检查,厂房四周附近无明显渗水、塌陷等现象；混凝土结构完整,没发现明显裂缝；原有发电厂房和扩建发电厂房结构基本完好。评定糯米滩水库渗流安全综合评价为“B”级。在资料缺失的情况下,渗流安全评价的重点是通过现场检查测定的渗流量和渗流点,反演推算坝体填筑土的渗流计算参数,使其他工况的渗流计算更加符合实际情况[4]。

3.5 结构安全评价

结构安全评价的目的是复核大坝在静力条件下（含近坝岸坡）的变形、强度与稳定性是否满足现行规范要求,其主要内容包括大坝结构强度、变形与稳定复核。结构安全评价可采用现场检查法、监测资料分析法和计算分析法进行综合评价[5]。由于糯米滩水库在运行过程中没有进行大坝变形观测资料,故评价无法采用监测资料分析法,只能采用现场检查法和计算分析法进行综合评价。

连拱坝抗滑稳定采用抗剪强度公式进行计算：

糯米滩水库工程规模为中型山区水库,连拱坝的级别为3级。根据《混凝土拱坝设计规范》（SL 282-2018）的规定,连拱坝抗滑稳定最小安全系数见表5。

表5 大坝抗滑稳定最小安全系数

基本组合：正常蓄水位情况,荷载包括自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力

大坝稳定计算成果见表6。

表6 大坝稳定计算成果表

评价结果显示,连拱坝抗滑稳定安全系数在计算工况下均满足现行规范要求；拱圈压应力、拉应力在计算工况下均满足规范要求。

4 结语

中小型水库由于运行时间长、基础资料不完善且历经多次除险加固,在其安全评价工作中应重点加强现场安全检查及安全检测,应采用多种先进适用的手段和技术清查大坝存在的安全隐患问题,为后续安全评价分析结果的合理性奠定坚实的基础。