田 刚

(安徽省合肥市安徽巢湖经济开发区半汤街道办事处，安徽 巢湖 238000)

1 引言

水库安全对下游居民的生产生活具有极大的影响，早期修建的水库受限于当时的经济、技术水平，工程建设质量较差，有较多的水库已经出现了不同程度的险情[1-2]。水库一般承担着防洪作用，防洪复核是水库安全复核的重要内容，同时，大坝渗流及坝坡稳定性也是影响水库安全的重要因素[3-6]。目前，在大坝渗流及坝坡稳定性研究中通常采用数值模拟方法，具有模型建立简单、计算速度快等优势[7-8]。结合香元安水库，通过收集水文资料，建立数值模拟模型，分析计算大坝安全情况，为大坝除险加固工程提供参考。

2 工程概况

香元安水库位于巢湖市东北部安徽巢湖经济开发区汤山脚下，库区坐落于半汤办事处的汤卞山行政村，西北部为山区，属长江流域裕溪河水系，坝址以上为浅山区，来水面积3.15 km2，河道平均坡度约为20.93‰。流域内最高点高程为374.6 m，分水岭高程在44.6 m～374.6 m。香元安水库为小(1)型水库，工程等级为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，根据规范要求，本次洪水复核仍采用原设计防洪标准，即30年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。

3 防洪能力复核

3.1 调洪演算

3.1.1 水库高程-面积-容积关系曲线

根据《安徽巢湖经济开发区香元安水库除险加固工程初步设计报告》，采用本次计算的水库高程-面积-容积关系曲线，见表2。

表1香元安水库各重现期设计洪水计算成果

图1 香元安水库30年、500年重现期设计洪水过程线

表2 香元安水库水位-面积-容积关系表

3.1.2 泄洪建筑物水位-泄量关系曲线

香元安水库的泄洪设施有放水涵洞和溢洪道两座泄洪建筑物，水库放水涵洞主要作为灌溉放水，不参与水库的泄洪，不考虑其泄洪作用；溢洪道按宽顶堰流量公式计算：

(1)

式中：σs淹没系数；ξ侧收缩系数；m流量系数；B溢洪道宽；H0堰上水头。

溢洪道位于大坝南端，为无坎宽顶堰，砼结构。堰顶高程30.1 m，堰宽12 m。溢洪道水位-泄量关系见表3。

表3 香元安水库水位-泄量关系曲线表

3.1.3 水库的防洪要求及调度运用方式

香元安水库的开发任务以灌溉为主，水库一座泄水涵洞主要作用为灌溉放水，不参与水库的泄洪。溢洪道为开敞式泄洪建筑物，香元安水库的调度运用方式为：当水库水位达到正常蓄水位时30.1 m时，溢洪道自行泄洪，以确保水库大坝安全。

3.1.4 调洪计算成果

根据上述拟定的调洪演算原则，及本次复核的水库水位～库容～泄量关系曲线和设计洪水成果进行水库调洪演算，成果见表4。其中30 a一遇最高洪水位31.16 m，500 a一遇最高洪水位31.96 m。

表4 香元安水库调洪演算成果

3.2 大坝及溢洪道抗洪能力复核

3.2.1 大坝抗洪能力复核

坝顶超高按下式计算

Y=R+e+A

(2)

式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，m。

坝顶高程应分别按以下情况进行计算，取其最大值。

1)正常蓄水位或设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；

2)校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；

3)正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。

各段安全超高计算结果见表5。

表5 坝顶高程复核成果表 单位：m

由表5可以看出，坝顶高程应取500 a一遇校核洪水运用情况计算的坝顶高程，即32.65 m，现状实测坝顶高程32.70 m，高于计算值0.05 m；黏土斜墙顶高程为32.65 m，高于设计洪水位1.49 m，同时高于校核洪水位，故坝顶高程满足要求。

3.2.2 溢洪道泄洪能力复核

香元安水库设计下泄流量为20.5 m3/s(P=3.33%)，校核下泄流量为47.4 m3/s(P=0.2%)。溢洪道位于大坝左坝肩，由进口段、控制段、泄槽、跌水及消能设施、出水渠及两侧边墙组成。现状导流及消能设施完善，泄洪对大坝及下游河道无不利影响，可安全泄洪。

4 大坝渗流及安全复核

4.1 大坝渗流复核

计算所采用的各土层土力学参数见表6。

表6 各土层土力学参数表

采用二维渗流有限元法进行渗流计算分析，其计算程序采用河海大学研制的计算程序AutoBank7.7，本程序可用于稳定渗流和非稳定渗流分析，并能适用于均质坝、斜墙坝以及不同排水形式的变化。

(a)工况一

(b)工况二

(c)工况三

(d)工况四

根据坝体内浸润线位置(图2)，工况一、二、三稳定渗流时坝体的渗透坡降J分别为0.334、0.315、0.346，工况四非稳定渗流时坝体的渗透坡降J为0.298。根据土工试验提供的大坝土料的物理性能试验成果，按《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287-2008)推荐的允许渗透坡降[J]为0.60。渗透坡降计算值小于允许值，满足规范要求。

4.2 坝坡安全复核

4.2.1 大坝变形分析

1)大坝变形分析

大坝未设置变形观测设施。现场实际测量与原加固设计报告比较复核，坝体现状处于稳定状态，下游坝坡未见明显沉降变形、坝顶未见明显水平变形。

2)大坝变形评价

香元安水库大坝变形分析评价结论如下：(1)大坝总体变形性状及坝体沉降基本稳定。(2)大坝变形监测资料缺失。

4.2.2 坝坡安全复核

土石坝的稳定计算应考虑的工况、水位组合及计算部位见表7。

表7 坝坡安全计算工况

表8 坝坡稳定计算成果表

由表7可以看出，各工况条件下上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

(a)施工期上游坝坡

(b)施工期下游坝坡

(c)稳定渗流期下游坝坡

(d)水位降落期上游坝坡

(f)正常运用+地震工况下游坝坡

5 结论

(1)通过收集大坝水文参数，复核香元安水库防洪能力，结果表明大坝坝高及溢洪道泄洪能力满足现状泄洪需求。

(2)通过二维有限元数值模拟分析结果可知：工况一、二、三稳定渗流时坝体的渗透坡降J分别为0.334、0.315、0.346，工况四非稳定渗流时坝体的渗透坡降J为0.298，满足渗透坡降要求。

(3)通过复核在不同工况下水库大坝上、下游坝坡安全均满足规范要求。香元安水库大坝防洪能力、防渗情况以及坝坡安全情况较好，水库大坝处于较安全情况。