里横电站大坝安全鉴定及加固处理

2014-09-05危承康

黑龙江水利科技 2014年12期

关键词：坝顶除险基岩

危承康

(江西省抚州市水电勘测设计院，江西抚州 344000)

里横电站大坝安全鉴定及加固处理

危承康

(江西省抚州市水电勘测设计院，江西抚州 344000)

近年来，各地山区兴建了许多小型水电站，抚州市小水电蓬勃发展，但因许多电站由外商以及私企开发，没有正规设计与施工，为四无电站，以致大多电站建成后出现诸多隐患，给防洪工作带来很大压力。文章主要介绍里横电站建成运行后，工程存在的主要问题，鉴定大坝安全性，阐述大坝除险加固采取的处理措施。通过对大坝安全进行重新复核，确定对大坝进行坝顶加高，新建WES型实用堰，两坝肩下游进行混凝土回填及固结灌浆处理。加固处理后工程运行正常，工程效益得以正常发挥。

混凝土拱坝；应力分析；拱座稳定；重力墩；溢流堰；固结灌浆

1 工程概况

里横电站位于江西省黎川县德胜关境内的里横村张家陂，距县城约20 km，距德胜关政府所在地1.8 km。

大坝座落于抚河流域黎滩河支流里横水上，坝址以上集雨面积8.99 km2，设计发电装机容量160 kW，是一座以发电为主的小(2)型水电工程。电站于2003年10月兴建，2004年2月建成并投入运行。

枢纽工程主要建筑物有：混凝土拱坝、坝内放水管、输水发电隧洞、发电厂房。

拱坝体型基本参数为：拱坝为C15混凝土埋石坝，坝顶高程245.47 m，坝基高程229.27 m，最大坝高16.2 m，坝底宽2.95 m，厚高比0.182。坝顶弧长44.61 m，坝顶弦长38.55 m，河谷宽高比2.38，坝顶宽1.15 m，两岸坝顶下游侧设有50 cm高混凝土挡水。

顶拱外半径24.175 m，顶拱最大中心角105.736°，底拱中心角18.34°，采用定圆心单曲拱。溢流坝段位于拱中心处，为坝身表孔开敞式泄流，溢流净宽19.3 m，堰顶高程245.47 m。

坝内放水管位于大坝右侧坝体内，内衬钢管，管径50 cm，管中心高程233.0 m，管后设一只Z584T—50闸阀控制。

输水发电隧洞位于大坝左侧山体内，隧洞全长265 m，纵坡1∶500，进口闸式底板高程为235.0 m。洞身为城门洞型，尺寸为1.4×1.8 m，隧洞出口接压力钢管，钢管伸入隧洞，与隧洞段用混凝土封堵，钢管内径50 cm。

厂房布置于里横水左岸河漫滩上，距大坝约300 m，采用地面引水式厂房。厂房为单层现浇混凝土框架结构，平面尺寸为6 m×9 m，电站装机160 kW。

2 工程存在问题

水库自建成以后，工程已出现多处隐患，若不及时处理，将危及建筑物安全，给水库下游造成严重损失[1]。

工程存在的主要问题有：

1)溢洪道泄流能力不够，以至汛期坝顶过水，水流直接冲击坝肩，两坝肩山体已形成冲沟，局部坝脚悬空。

2)未设消能设施，水流冲击坝脚，影响大坝安全。

3)大坝基岩裂隙发育，施工时未进行灌浆处理，下游有大量黄泥析出[2]。

4)两坝肩基础差，施工时未达可利用基岩面，存在少量松动块石[3]。

2005年6月坝顶过水1 m多，冲刷两坝肩，严重影响大坝安全，时刻危协下游人民生命财产安全，对电站大坝进行除险加固迫在眉睫。

3 工程加固前安全复核

工程加固前安全复核内容包括3项：大坝抗洪能力复核、大坝应力复核和大坝拱座稳定分析计算。

3.1 大坝抗洪能力复核

根据国家颁布的《防洪标准》(GB50201—94)规定，并结合工程实际情况，按20 a一遇设计，按100 a一遇洪水校核大坝的安全性；现状设计洪水位(P=5%)为247.44 m，现状校核洪水位(P=1%)为247.98 m。

大坝需要的坝顶超高，按下式计算：

△h=hb+hz+hc

(1)

风浪要素hb及hz按下式计算：

(2)

(3)

(4)

计算中采用吹程0.6 km，多年平均年最大风速9.6 m/s，正常运用条件风速采用多年平均年最大风速的1.5倍，非常运用条件风速采用多年平均最大风速。

经计算所需最大坝顶高程为248.60 m，实际坝顶高程仅245.97 m，远低于计算所需坝顶高程，洪水直接过坝，冲击两坝肩，严重影响大坝安全[4]。

3.2 大坝应力复核

坝体应力、变形计算采用北京勘测设计院提供的拱坝通用程序GADAP28进行分析计算。计算对坝体拱梁网络的划分，采用10层水平拱，水平河谷一侧加1根梁。

温度荷载形成方式按规范方法。库底平均温度按8℃计。荷载组合分为基本组合和特殊组合二类。

1)基本组合包括3种类型：①正常蓄水位及相应尾水位和设计正常温降、自重、泥沙压力；②正常蓄水位及相应尾水位和设计正常温升、自重、泥沙压力；③设计洪水位及相应尾水位和设计正常温升、自重、泥沙压力[5]。

2)特殊组合：校核洪水位及相应尾水位和设计正常温升、自重、泥沙压力[5]。

经计算，坝体出现的最大压应力为21.24 kg/cm2，最大拉应力为13.72 kg/cm2。均在规范规定的范围内，符合要求。

3.3 大坝拱座稳定分析计算

拱坝坝基岩性主要为细质砂岩，两岸坝基基岩开挖较浅，基岩中主要发育两组节理，其中大致平行河流方向的节理最发育，垂直河向的节理也有。

节理等结构面互相切割，造成坝肩岩体完整性较差。右坝肩岩层倾后河床，坝肩基岩中有多组节理分布，其中以平行河流向的节理为主，部分垂直坡向的节理裂隙分布，尤其微张开的裂隙对岸坡稳定不利[6-7]。深部微～新基岩中的节理等结构面大都呈闭合状，没有发现控制岩体整体稳定的软弱结构面。

整个坝基岩完整性较差，稳定分析时采用刚体极限平衡法中的空间矢量代数法进行计算，分析中假定坝肩滑移体为四面体，由前裂面P1、侧裂面P2、底滑面P3及临空面P4构成。

计算出滑移体各结构面面积，四面体重量及渗透压力。拱端作用力由拱坝应力分析结果求得，并计算稳定安全系数。

选取滑动四面体采用沿顶拱拱端上游面切向取为前裂面，前裂面倾角为90°，侧裂面通过顶拱拱端上游点的铅直面，夹角取值为0°，5°，10°，15°等，以求出安全系数最小值，底滑面为水平面，各取拱圈高程。

各层拱圈计算时，侧裂面及底滑面摩擦系数f=0.60，按剪摩公式计算时，侧裂面及底滑面的摩擦系数和凝聚力取f′=0.75，C′=0.3 MPa。

经计算，纯摩公式计算的最小安全系数为0.97，剪摩公式计算的最小安全系数为3.50，接近规范允许值，拱座稳定处于临界状态，拱座稳定存在安全隐患[8-9]。

4 除险加固设计

除险加固设计内容有以下5项：工程等级、标准及总体布置、大坝坝顶加高处理、大坝两坝肩新建重力墩、溢流坝段改造和两坝肩下游侧冲沟处理。

4.1 工程等级、标准及总体布置

里横电站为小(2)型水电工程，大坝为混凝土拱坝。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)的规定：本工程等别为Ⅴ等；水工建筑物级别：永久性主要建筑物为5级，永久性次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。永久性主要建筑物设计洪水标准采用20年一遇，校核洪水标准为100 a一遇；永久性次要建筑物设计洪水标准采用30年一遇，校核洪水标准为200 a一遇；临时性建筑物洪水标准采用5 a一遇。根据现场安全检查与分析上述工程现状复核成果，本次加固设计对大坝进行加固处理。确定的主要加固设计项目有：大坝坝顶加高处理；大坝两坝肩新建重力墩；溢流坝段改造；两坝肩下游侧冲沟处理。

4.2 大坝坝顶加高处理

由于大坝防洪要求不满足要求，大坝坝顶过水，本加固设计对两边非溢流坝段进行加高处理，加高坝沿顶拱圈弧线布置，采用C15混凝土浇筑，宽1.15 m，高2.13 m，加高后坝顶高程247.60 m。

坝顶上游边设置60 cm高C15混凝土防浪墙，墙厚25 cm，下游边设置栏杆，栏杆采用Φ8管钢。浇筑新坝体前，应对新老坝体间的接合面进行凿毛并冲洗。

4.3 大坝两坝肩新建重力墩

本次大坝加高后，大两侧岸坡新建C15混凝土重力墩，重力墩沿顶拱拱圈切线方向布置，其中左侧墩长3.5 m，右侧墩长3.6 m。

重力墩顶与坝顶齐高，并设置防浪墙，墩顶宽1.15 m，上游面铅直，下游面为1∶0.4斜坡。重力墩基础应开挖至可利用基岩，并对基岩进行固结灌浆处理。

4.4 溢流坝段改造

原溢流坝溢流堰为折线型实用堰，泄流能力小，且下游出口为跌流，水流直接冲击坝脚，影响大坝安全，固本次设计对溢流坝段进行改造。

改造后溢流堰堰面为WES堰型，堰顶高程为245.47 m，堰顶高现状坝顶上游边，溢流段平面收缩角为49.77°，中心线与拱中心线重合，溢流净宽21 m，

下游出口净宽18.73 m。下游出口设置挑流鼻坎，挑角15°，两边设置边墩，为C20钢筋混凝土结构。

4.5 两坝肩下游侧冲沟处理

由于坝顶过水，两坝肩下游侧已被冲毁，并形式冲沟，局部坝基悬空，固本次设计对两坝肩下游冲沟采用C15混凝土回填处理，并对坝基进行固结灌浆处理。