周上梯

(北京市密云水庫管理處，北京 101512)

1 工程概況

密云水庫總庫容43.75億m3，為華北地區(qū)最大的水庫，是一座具有防洪、供水等多種功能、多年調節(jié)的大型水利樞紐[1]。工程于1958年9月動工興建，1959年汛期攔洪，1960年9月基本建成。水庫工程按千年一遇洪水設計，萬年一遇洪水校核，設計水位157.50m，校核水位158.50m，汛期限制水位152.00m，死水位126.00m[2]。

密云水庫水工建筑物及附屬設施眾多，主要包括7座主副壩、3座溢洪道、7條輸泄水隧洞、1座電站和1座調節(jié)池。監(jiān)測設施包括233個測壓管、12個量水堰、180個變形標點、14個三向測縫儀等[3]。

2 高水位運行情況

2021年，密云水庫蓄水量、降水量、降雨場次均創(chuàng)歷史之最。年初庫水位148.27m，因汛期連續(xù)降雨影響，庫水位穩(wěn)步抬升，7月20日時隔22年后重回150.00m以上；8月23日突破了1994年歷史最高水位153.98m，隨后水位不斷攀升，10月1日庫水位達到155.30m，相應蓄水量35.793億m3，創(chuàng)造了密云水庫庫水位和蓄水量新紀錄。自2021年以來，水庫持續(xù)處于高水位運行狀態(tài)，2023年10月8日，庫水位151.69m，相應蓄水量29.883億m3[4]。

3 滲流和變形監(jiān)測分析

3.1 滲流監(jiān)測分析

滲流監(jiān)測分析基于2021年9月30日滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)進行，當日庫水位155.28m，接近歷史最高水位155.30m，從繪制的白河主壩0+433橫斷面浸潤線圖(見圖1)可知，浸潤線較低且位于覆蓋層中，低于設計浸潤線和歷史實測最高浸潤線，說明該壩防滲效果良好；從匯總的主副壩滲透比降統(tǒng)計(見表1)數(shù)據(jù)可以看出，典型斷面滲透坡降均低于規(guī)范允許值0.1，說明壩體不會發(fā)生滲透破壞。

表1 密云水庫大壩滲透比降統(tǒng)計

圖1 白河主壩0+433橫斷面浸潤線(單位：m)

同時結合過程線法、位勢法、等水位線法等方法分析可知：各建筑物浸潤線、滲透坡降、滲流出逸點高程、滲流量等均低于設計值；從繪制的測壓管水位過程線可以看出，測壓管水位總體趨勢隨庫水位升降而升降；位勢計算結果表明，各建筑物典型斷面位勢接近于常數(shù)，滲透穩(wěn)定，滲流場變化趨勢合理[5]。

3.2 變形監(jiān)測分析

變形監(jiān)測分析以潮河主壩為例，從繪制的縱斷面沉陷量分布圖可知，該壩在運行初期沉陷速度較快，后隨著時間推移而逐漸減緩，到1994年以后沉陷已趨穩(wěn)定，大壩沉陷基本完成；沉陷總體呈現(xiàn)同一橫斷面壩頂大壩底小、同一縱斷面壩中大壩端小的特點，說明沉陷量的大小與大壩填筑高度成正比；由沉陷率計算統(tǒng)計結果(見表2)可以看出，各標點沉陷率在1.66‰～3.45‰之間，在設計允許范圍內，累計最大沉陷量是下游第一排樁號下0+400處的沉陷量168mm，在潮河主壩的最大壩高處，與大壩沉陷規(guī)律相符；由潮河主壩2022年下游第一排水平位移量統(tǒng)計結果(見表3)可以看出，位移標點年位移量均為0，最大累計位移量為55mm(下0+300)。在高水位運行工況下，大壩的沉陷量和水平位移并沒有明顯變化，說明大壩變形已經穩(wěn)定。

表2 潮河主壩沉陷情況統(tǒng)計

表3 潮河主壩下游第一排標點位移量統(tǒng)計

綜合各水工建筑物的變形監(jiān)測分析結果，各主副壩、溢洪道水平位移年間隔變形值在2mm范圍內，最大累計水平位移值為南石駱駝副壩0+330斷面的114mm(截至2022年)；豎向位移年間隔變形值在6mm范圍內，最大累計沉陷值為白河主壩0+300斷面的376mm(截至2022年)，累計變形值在設計允許范圍內；從沉陷量過程線圖可看出，大多數(shù)標點過程線斜率變化較小，沉降趨于穩(wěn)定；壩體中間部位沉陷量明顯大于壩體兩端，壩體變形符合土石壩變形規(guī)律[6]。

4 重點建筑物復核計算與分析

4.1 白河主壩斜墻滲透穩(wěn)定性復核分析

白河主壩為密云水庫主要擋水建筑物之一，壩長960.2m，壩高66.4m，壩體采用黏土斜墻防滲(見圖2)，壩基采用混凝土防滲墻、黏土水泥帷幕灌漿、壤土齒槽聯(lián)合防滲的形式。

圖2 白河主壩橫斷面(單位：m)

經統(tǒng)計分析該壩下游壩體管及覆蓋層管管水位，下游水位均位于壩基覆蓋層內，基本維持在80.00m左右。盡管近年來水庫蓄水增加，特別是2021年10月1日達到歷史最高水位155.30m，下游測壓管水位有所增加，但仍保持在80.00～82.00m之間，始終較設計浸潤線低14m左右。該情況充分說明大壩的整體防滲效果良好。但上下游水位差增加可能導致壩體內防滲斜墻滲透穩(wěn)定性不足，有必要進一步復核斜墻厚度[7]。

經查閱白河主壩設計資料，大壩上游萬年一遇校核洪水位為158.50m，斜墻底部高程為95.00m，墻底處承受最大水頭為63.50m。按原設計允許滲透梯度5.15計算斜墻底厚度為12.33m[8]。而根據(jù)大壩下游壩體覆蓋層測壓管水位實測資料統(tǒng)計分析，斜墻底部實際最大水頭為75m，按允許滲透梯度5.15計算斜墻底厚度為14.56m。而據(jù)白河主壩除險加固資料，在1977年11月完成白河主壩抗震加固后，斜墻底部增厚達到15.5m，頂部寬度達到3m，現(xiàn)狀斜墻厚度滿足原設計要求，同時也滿足現(xiàn)行《碾壓土石壩設計規(guī)范》(SL 274—2020)中土質防滲體頂部水平寬度不小于3m、斜墻底部厚度不小于水頭的1/5的規(guī)定[9]。通過上述復核計算分析可知，白河主壩斜墻上下游雖實測水頭高于設計水頭，但斜墻厚度在設計允許和規(guī)范規(guī)定范圍內，故斜墻滲透穩(wěn)定性滿足安全運行要求。

4.2 第二溢洪道閘首抗滑穩(wěn)定性分析

第二溢洪道是密云水庫主要泄水建筑物之一，河岸開敞式，溢流堰為真空剖面堰，高3m，堰頂高程148.50m，最大泄量4250m3/s。閘首設5孔弧形閘門，孔口尺寸為12m×9.2m(見圖3)。

圖3 第二溢洪道平面布置(單位：m)

第二溢洪道在4個中墩設置了10根基巖測壓管。通過分析各測壓管水位可知，2001年后庫水位低于管底高程期間，中墩上游4根測壓管1～4號干孔，為正?，F(xiàn)象；其余測壓管水位均高于庫水位，且在汛期變幅較大，屬異?，F(xiàn)象，分析原因為受降水影響外水進入管中導致。進一步分析近兩年測壓管數(shù)據(jù)可知，隨庫水位在147.10～155.30m范圍變動，1～4號管水位相應在143.00～147.90m范圍變動，變化趨勢一致；其余測壓管水位受降水影響仍表現(xiàn)出變幅較大、經常高于庫水位的異?，F(xiàn)象。因1～4號測壓管水位能夠較為真實地反映堰底滲透壓力，故選取上述4個測壓管管水位進行統(tǒng)計和計算，可得出堰底滲透壓力強度系數(shù)α最大值為0.5。

依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)確定設防地震動峰值加速度的分區(qū)值為0.20g，對應的地震基本烈度為Ⅷ度。第二溢洪道為1級建筑物，按照《水工建筑物抗震設計標準》(GB 51274—2018)確定工程抗震設防類別為甲類，應在基本烈度上提高1度作為設計烈度，按場地類別調整后的水平向設計地震動峰值加速度代表值相應增加1倍。

在此基礎上復核閘首穩(wěn)定性(見圖4)，選擇正常蓄水位157.50m工況和閘上擋水位為157.50m時遭遇地震工況，按抗剪斷強度公式計算堰體和中墩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。參照1996年5月清華大學水利水電工程系完成的《潮河第二溢洪道工程安全檢查總報告》中的相關參數(shù)取值：堰底滲透壓力強度系數(shù)α采用0.5；巖石定為中等，堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷黏聚力c′可取0.9MPa，但因二道施工中基礎開挖放了大炮，經研究以c′=0.15～0.30MPa進行計算；堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′采用0.60[10]。本次復核計算中，因閘首巖石基礎主要由花崗片麻巖、角閃斜長片麻巖組成，雖施工時放炮一定程度上影響其整體性，而c′=0.15～0.30MPa已處Ⅴ類巖石區(qū)間，綜合閘首高水位運行工作狀態(tài)和閘基巖性，取c′=0.30MPa。

圖4 第二溢洪道閘首斷面(單位：m)

由計算結果(見表4)可以看出，堰體和中墩在正常蓄水位工況和地震工況下的抗滑穩(wěn)定性均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求[11]。考慮到施工時放炮對閘墩巖石基礎的影響，在以后的運行管理中須加密巡視檢查和加強監(jiān)測分析，可采取在閘首下游側布設鉆孔鉆芯取樣的方式進行勘查和研判，以進一步復核分析巖石基礎的實際特性，更加精確地復核計算閘首抗滑穩(wěn)定性。

表4 閘首抗滑穩(wěn)定計算成果

5 結 語

密云水庫建成至今已安全運行60多年，綜合近年高水位運行工程巡視檢查情況、工情監(jiān)測分析情況、重點建筑物復核計算分析情況及工程設施勘察、設計、建設、加固、改造情況和歷次安全檢查、安全鑒定、抗震復查結論分析研判，密云水庫主要水工建筑物滲流正常，變形穩(wěn)定，滲透穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，工程安全狀況總體良好，能夠保證設計工況下運行安全。