彭振琴（橫山縣水產(chǎn)工作站陜西橫山719100）

橫山縣秦家溝水庫大壩除險加固探析

彭振琴
（橫山縣水產(chǎn)工作站陜西橫山719100）

本文通過分析秦家溝水庫概況和大壩存在問題，對水庫大壩所處區(qū)域的水文、氣象及洪水情況進(jìn)行了探討，結(jié)合實(shí)際，提出了大壩除險加固方案，以確保水庫安全運(yùn)行。

橫山；水庫；大壩；除險加固

1　秦家溝水庫概況

秦家溝水庫位于橫山縣魏家樓鎮(zhèn)秦家溝村，所在河流為無定河一級支流，水庫控制流域面積3km2。該工程于1969年動工修建，1971年竣工，是一座以攔沙、防洪為主，兼養(yǎng)殖等綜合利用的?。ǘ┬退畮?。水庫樞紐工程由大壩、臥管、輸水洞、明渠等建筑物組成。大壩為水墜均質(zhì)土壩，壩高16m，壩頂高程1097.50m，壩頂長77m，壩頂寬5.5m。壩基建在紅砂巖石上，左壩端與砂壤土相接；右壩端紅砂巖、砂壤土相連，壩基與壩體采用結(jié)合槽及齒墻型式連接。壩體內(nèi)無防滲設(shè)施，迎水坡坡比1∶2，背水坡坡比1∶2。秦家溝水庫原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為10一遇洪水設(shè)計，20年一遇洪水校核。總庫容為39萬m3，其中調(diào)洪庫容9 萬m3，興利庫容12萬m3，死庫容5萬m3，正常蓄水位1093.4m。

2　存在問題

秦家溝水庫建于20世紀(jì)70年代農(nóng)業(yè)學(xué)大寨時期，水庫工程由當(dāng)時雙城公社柏樹渠村組織群眾興建，沒有經(jīng)過正規(guī)的勘測、設(shè)計。工程竣工后未進(jìn)行驗(yàn)收，沒有留下竣工文件和圖紙，屬典型的“三邊”工程。水庫運(yùn)行四十多年來，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉、攔沙及下游防洪保安發(fā)揮了顯著作用。但因工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、年久失修及施工質(zhì)量差，造成水庫一系列病險問題，如大壩防洪安全不滿足，致使水庫多年來帶病運(yùn)行，不能發(fā)揮應(yīng)有的效益，甚至危及大壩和下游人民生命財產(chǎn)安全。2013年5月，橫山縣水務(wù)局對秦家溝水庫大壩進(jìn)行了全面現(xiàn)場檢查及安全鑒定工作，評定秦家溝水庫屬“三類”病險水庫，大壩綜合評價為“三類壩”，大壩病險問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

一是壩體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，壩頂穩(wěn)定不滿足要求，水庫淤積嚴(yán)重，淤泥面高程1095.5m；二是大壩迎、背水坡均未防護(hù)，雜草叢生，壩坡面無排水溝，雨水沖刷嚴(yán)重；三是壩后滲漏流泥現(xiàn)象嚴(yán)重。壩體填筑土的最大干密度為1.63g/cm3，規(guī)范規(guī)定壩體填筑控制干密度應(yīng)為1.57g/cm3。實(shí)測壩體填筑土的干密度ρd=1.343g/cm3～1.63g/cm3，最大、最小干密度差值0.29g/cm3，表明該壩各層的碾壓質(zhì)量不均勻，存在密度較薄弱區(qū)，24組原狀土樣大于壩體填筑控制干密度1.57g/cm3的僅3組，試樣合格率12.5%。不合格樣的最小值為1.34g/cm3，僅達(dá)到施工控制干密度的85%。表明大壩壩體填筑質(zhì)量未達(dá)到規(guī)范要求。施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，壩體填筑質(zhì)量較差，壩體內(nèi)存在質(zhì)量隱患。同時，大壩無安全監(jiān)測設(shè)施，無法對大壩的安全運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)控

這些問題嚴(yán)重威脅到大壩的運(yùn)行安全，急需盡快開展除險加固工作，及早消除病害，恢復(fù)安全運(yùn)行”。

3　洪水

秦家溝水庫壩址以上流域?qū)儆暝葱秃恿?，洪水主要由暴雨形成，多出現(xiàn)在7月～9月，洪水來勢猛，陡漲陡落，峰型尖瘦，峰高量小。秦家溝水庫壩址設(shè)計洪水按下式計算：

式中：Q設(shè)、Q參——分別為設(shè)計斷面和參證站洪峰流量；

F設(shè)、F參——分別為設(shè)計斷面和參證站集水面積；

m、n——指數(shù)。

計算成果如表3-1所示。

將以上不同方法計算的洪水成果列于表3-2中。

由上表可知，分別以橫山為參證站計算的秦家溝水庫洪水成果較小，主要是流域?yàn)轱L(fēng)沙區(qū)，地貌特征其秦家溝水庫控制流域不同，造成洪水較小，殿市站和經(jīng)驗(yàn)公式法計算成果相差較小，考慮殿市站與秦家溝水庫控制流域同處于丘陵溝壑區(qū)，洪水成果基本相同，水文資料年限較長，成果更接近實(shí)際，因此洪水成果采用以殿市站為參證站水文比擬法成果。

秦家溝水庫處設(shè)計洪水以殿市站作為參證站，按水文比擬法（洪峰指數(shù)為2/3，洪量1.0）計算的設(shè)計洪水成果：

P=5%，洪峰流量為24.67m3/s，洪量為5.33萬m3；

P=0.5%，洪峰流量為43.95m3/s，洪量為11.36萬m3。

4　大壩加固處理

表3-1　水文比擬法設(shè)計洪水成果表單位：m3/s、萬m3

表3-2　秦家溝水庫設(shè)計洪水成果表單位：m3/s、萬m3

本次除險加固設(shè)計，針對現(xiàn)狀大壩進(jìn)行加固處理。

4.1滲流穩(wěn)定計算與分析

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，滲流計算包括以下水位組合情況：

①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；

②上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)的水位；

③上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；

④庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

由于本水庫設(shè)計和校核洪水歷時很短，壩體無法形成滲流浸潤線，故本次計算選擇正常蓄水位1098.50m進(jìn)行大壩原狀和加培后穩(wěn)定滲流計算。采用有限元平面滲流計算程序DQB計算，計算滲透流量時宜采用滲透系數(shù)的大值平均值，結(jié)合地勘報告資料提供的滲透系數(shù)的大值平均值選取各土料的滲透系數(shù)見表4-1：

表4-1　壩體各土料滲透系數(shù)取值表

壩體浸潤線分析結(jié)果見圖4-1，計算結(jié)果數(shù)據(jù)如表4-2。

表4-2　壩體滲流計算結(jié)果

從計算結(jié)果看：浸潤線于背水坡1085.5m附近出逸，距壩基4.0m；壩體內(nèi)滲透坡降均小于壩體填土的允許滲透坡降［i允］=0.46，所以下游壩坡不會發(fā)生滲透破壞，但出逸點(diǎn)較高，存在滲透破壞的隱患。壩體底部寬度57m，總滲流量100.5m3/d，壩體內(nèi)等勢線分布均勻，無集中滲流區(qū)。為保證壩坡穩(wěn)定，本次設(shè)計采取貼坡排水方式。

4.2壩坡穩(wěn)定計算分析

計算選擇最大斷面，分別對現(xiàn)狀及加培后大壩穩(wěn)定滲流上、下游壩坡進(jìn)行分析。邊坡穩(wěn)定計算分析工況采用的水庫水位為正常蓄水位1098.50m。

1）計算方法

壩坡穩(wěn)定計算程序采用《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB95》2003年版，依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定方法進(jìn)行。壩坡穩(wěn)定計算采用浸潤線為各計算剖面在正常蓄水位下滲流穩(wěn)定時的浸潤線?？紫秹毫Σ捎煤喕ù_定，穩(wěn)定計算采用有效應(yīng)力法進(jìn)行。

2）計算參數(shù)選取

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001附錄D規(guī)定，計算穩(wěn)定滲流期應(yīng)采用有效應(yīng)力法確定的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，計算參數(shù)依據(jù)地勘資料提供的壩體土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值。具體參數(shù)如下：

表4-3　壩體土穩(wěn)定分析參數(shù)選取表

壩坡穩(wěn)定分析計算結(jié)果見圖5-3，安全系數(shù)計算結(jié)果見表4-4。

表4-4　壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

根據(jù)上表壩坡穩(wěn)定分析結(jié)果及碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范要求，表明現(xiàn)狀大壩下游壩坡不滿足抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。大壩加固整修后，大壩上、下游壩坡均滿足抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求。

圖4-1　下游壩坡穩(wěn)定計算簡圖

4.3大壩加固設(shè)計

a）壩頂設(shè)計

根據(jù)大壩壩頂高程復(fù)核結(jié)果，壩頂高程1102.1m在各種運(yùn)用工況下均滿足安全超高要求。原壩頂坑凹不平，標(biāo)準(zhǔn)不足，故本次設(shè)計僅對壩頂?shù)缆愤M(jìn)行改造，按四級道路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。加固措施：壩頂寬度5.0m，表面鋪設(shè)30cm厚砂礫石，壩頂兩側(cè)設(shè)置C15砼路沿。

b）迎水坡加固處理

現(xiàn)狀大壩迎水坡未砌護(hù)，由于降雨沖刷，壩坡破損嚴(yán)重，形成多處沖溝，壩內(nèi)坡角庫水淘刷嚴(yán)重，危及大壩安全。本次設(shè)計，為保護(hù)上游壩坡安全，對迎水坡進(jìn)行加固整修處理。修整后壩坡坡比為1：2.0，采用干砌C15六棱塊護(hù)坡，砌六棱塊底高程1093.5m，下部鋪設(shè)0.2m厚的砂礫料墊層。

c）背水坡加固處理

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，大壩下游坡不滿足穩(wěn)定要求，需要進(jìn)行培厚處理，大壩上游淤積深度達(dá)14.0m，且淤積物抗剪強(qiáng)度指標(biāo)很低，φ=12°，c=10kPa，承載力75kPa，不具備上游培厚條件，故采用下游培厚方案。下游坡面破損不整、沖溝淘刷嚴(yán)重，無坡面排水溝。本次加固改造，對下游壩坡進(jìn)行種植草皮防護(hù)，兩側(cè)岸坡坡腳設(shè)置橫向排水溝，排水溝采用漿砌石結(jié)構(gòu)。另據(jù)壩體滲流穩(wěn)定分析結(jié)果，壩體滲流下游逸出點(diǎn)高程1084.5m，逸出點(diǎn)距下游壩坡3m，對下游壩坡坡腳采用混合排水，壩貼坡頂高程應(yīng)高出浸潤線出逸點(diǎn)1.0m，確定貼坡頂高程1085.5m?；旌鲜脚潘w上層采用30cm厚粒徑200mm～400mm塊石，下部設(shè)20cm厚粒徑20mm～80mm卵石，再下層采用20cm厚粒徑5mm～20mm礫石，最底層鋪設(shè)20cm厚砂。

4.4大壩安全監(jiān)測設(shè)計

為確保大壩安全運(yùn)行，建立一套比較完善的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。根據(jù)秦家溝水庫除險加固工程的實(shí)際情況，設(shè)計在上游庫區(qū)適當(dāng)位置布置水位觀測點(diǎn)1個；在合適部位布置2個降雨量觀測點(diǎn)。水位采用水尺觀測，用雨量筒觀測降雨量。

5　結(jié)語

秦家溝水庫大壩迎水坡未防護(hù)，在庫水風(fēng)浪的淘刷下，高1m，長77m的陡坎，對大壩穩(wěn)定不利。背水坡無排水溝，有沖溝，壩坡腳未建反濾排水體，滲水流泥現(xiàn)象嚴(yán)重，在右壩角有一集中滲流。針對水庫大壩存在的主要安全隱患，對大壩迎水坡、背水坡實(shí)行砌護(hù)整修、培厚加固，以及增設(shè)安全監(jiān)測設(shè)施，以確保大壩安全運(yùn)行。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

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