林山水库大坝除险加固工程安全技术鉴定研究

张先春 戴国博

(1.永嘉县水利水电勘测设计院，浙江 永嘉 325100；2.温州生态园管委会生态环境和水利局，浙江 温州 325000)

1 工程概况

林山水库位于永嘉县桥下镇林山村，距县城约34km，水库坝址以上集雨面积根据1∶10000地形图量算为0.34km2，主流长度1.11km，河床坡降8.33%。水库的正常蓄水量为8.42万m3，总库容为10.35万m3，是一个以灌溉为主，结合以养鱼等综合利用的小(2)型水库，其灌溉面积约700亩，受益村庄林山村，受益人口约7000人。水利工程主要由大坝、溢洪道、输水隧洞、水库管理房等建筑物组成。大坝最大坝高为16.60m，坝顶长为59.21m，坝顶宽为4.0m，坝顶高程为522.65m。溢洪道处在大坝的右岸，是开放式的正槽溢洪道，堰宽为10.56m，堰顶高程是521.12m，溢洪道长为47.30m。放水隧洞布置在主坝右岸山体，放水隧洞总长144.00m，进口底板高程513.05m，隧洞为城门洞型，开挖尺寸为2.0m×2.0m(宽×高)。

2 大坝工程地质条件

2.1 坝体质量

2.1.1病害分析

大坝左右坝肩山体无大的断层破碎带、断裂带等不良地质构造，坝肩岸坡基本处于稳定状态，大坝主要存在填筑土压实度较低、漏水等问题。据分析系由于坝体填筑土压实度较低，局部坝体土及与坝基接触带土层的渗透系数偏大有关。其漏水主要来自坝体与坝基接触带的渗漏，经调查可知坝体存在渗漏，坝脚长期渗流漏水可能发展形成坝体流土塌陷，危害大坝安全。勘察期间上游坝坡为天然土石护坡，下游坝坡为干砌石护坡。坡面杂草丛生，长期受水流冲刷影响，局部土体有变形与水土流失现象，且易受雨水冲刷对坝坡造成损害。坝体未见明显裂缝、崩塌、溶蚀、隆起、凹陷等异常现象，坝体沉降已基本稳定。

2.1.2坝体质量

坝体填筑土来自坝址附近各处土料场，土质较为单一，为坡残积粘性土堆填碾压而成，局部为全风化料，经人工分层压实，一般呈可塑状，吸水性强。砾、砂含量一般为19.7%～30.3%，粘粒含量为38.5%～50.1%，粉粒含量一般30.2%～32.5%。可见坝体填筑土的粘粒含量较大。根据土工试验成果：坝体填筑土的塑性指数范围值是14.1～28.0，平均值为20.2，局部大于20，液限33.71%～59.76%，平均值45.50%，大于40%，不符合现行防渗体填筑料的标准。

室内对2组扰动样作击实试验，土的最大干密度为1.535g/cm3，以最大干密度均值1.535g/cm3作为标准击实试验最大干密度，对照原状样室内试验成果，填筑土的常规试验干密度均小于击实试验最大干密度均值，两者比值：0.73～1.01，均值为85%，均低于96%，说明坝体压实度普遍较低。

从钻孔注水试验及室内渗透试验来看，坝体填筑土的水平渗透系数K值在1.35×10-5～2.33×10-4cm/s范围内。根据统计成果，钻孔注水试验渗透系数不小于1.00×10-4cm/s段(组)数占试验总数的37%，主要段次分布于坝体两侧坝体土与坝基接触段，表明局部坝体填筑土及接触部渗透系数偏大，可达中等透水性。综合分析局部坝体及与坝基接触带防渗效果差，需进行防渗加固处理。

2.2 坝基工程地质条件

2.2.1坝基稳定

2.2.2坝基渗漏

从钻孔注水试验看，持力层的渗透系数K值为4.28×10-5m/s，属弱透水性，局部渗透系数较大，由于注水试验对上层填土封堵不严，造成局部渗透系数偏大，中风化凝灰岩的透水率为0.5～3.6Lu，透水率均不大于10Lu，属于弱透水岩体。根据注水试验判断，右坝肩坝体和坝基接触带及坝基存在渗透系数较大的问题，建议对坝基接触带及坝基进行防渗处理。

3 防洪安全复核

3.1 设计暴雨

3.1.1暴雨日程分配

据流域已发生的大暴雨，选其中较常遇的雨型根据实测暴雨资料分析，配合参照《浙江省短历时暴雨》图集中雨型日程分配方法。综合考虑安全和使用习惯，采用《浙江省短历时暴雨》图集的常规方法，最大一日暴雨放在第2天，其余两天暴雨分配比例分别为60%(第1天)和40%(第3天)。

3.1.2暴雨时程分配

暴雨雨型采用《浙江省短历时暴雨》24小时概化雨型。该次计算暴雨衰减指数n值使用分段概化值，与各时段内设计雨量分配按《浙江省短历时暴雨》里公式计算：

ti=1～6h之间

n1，6=1+1.285lg(H1/H6)

ti=6～24h之间

Hi=H6(ti/6)1-n6，24或Hi=H24(ti/24)1-n6，24

n6，24=1+1.661g(H6/H24)

暴雨衰减指数成果见表1。

表1 暴雨衰减指数成果表

3.2 设计洪水

3.2.1汇流计算

林山水库坝址处的集雨面积为0.34km2，小于50km2。洪峰流量采用浙江省推理化公式计算，推理公式基本形式为：

(1)

(2)

式中，Qm—洪峰流量，m3/s；hR—地表净雨，mm；τ—汇流历时，h；F—集水面积，km2；L—主流长度，km；J—干流坡度；m—汇流参数。

汇流参数m与流域的几何特征和植被条件有关，根据流域特点，采用浙江省水电勘测设计院的综合公式如下：

m=0.46×θ0.154；θ=L/J1/3

(3)

各频率洪水成果见表2。

3.2.2设计洪水合理性分析

本次安全认定推求洪峰流量与“2011年安全认定”时有略微偏差，校核洪水偏小8.3%，设计洪水偏小8.7%，导致偏差原因有两点：一是本工程复核河流比降由原先13.5%调整为8.33%，因此大程度影响到暴雨汇流时间，使得汇流时间延长；二是两次安全认定采用的洪峰汇流时间公式不同，导致汇流时间不同，本次认定汇流时间长，可使设计洪峰计算结果变小。附近1.1km朱坑垟水库集雨面积2.37km2，和附近3.3km郑坑底水库集雨面积2.65km2，从洪模对比可知，林山水库与郑坑底水库、朱坑垟水库洪模成果接近，林山水库洪集雨面积小洪模小，符合一般规律，各个工况下的误差又较为接近。综上所述，本次洪峰计算成果合理。

表2 洪峰流量计算成果表

3.3 水库调洪计算

3.3.1调洪基本资料

(1)起调水位

林山水库以正常蓄水位开始起调，起调水位为521.12m。

(2)库容曲线

库容曲线采用大坝库区地形量取得，见表3，如图1所示。

(3)泄流曲线

水库的正常蓄水位521.12m作为起调水位。对水库现有的泄洪能力进行复核，溢流堰是宽顶堰，堰顶净宽为10.56m，堰顶高程为521.12m。溢洪道的泄流计算，使用以下公式计算：

(4)

式中，m—堰流量系数，0.35；B—堰顶净宽10.56m；H0—计入流速水头的堰上总水头，m。

水位下泄流量曲线如图2所示。

3.3.2调洪演算

(1)调洪演算方法

根据一定时期内水库水量的平衡，进入水库的水量减去离开水库的水量应等于该时期水库水量的增减量。水量平衡方程为：

表3 林山水库水位及库容关系曲线表

图1 水位库容曲线

图2 水库泄流曲线

(5)

式中，Q1、q1—时段初入库、出库流量，m3/s；Q2、q2—时段末入库、出库流量，m3/s；V1、V2—时段初、末水库蓄水量，m3/s；Δt—计算时段，s。

(2)调洪演算过程及结果

根据所求设计洪水、库容曲线和泄洪曲线，对设计洪水进行了调算。调洪过程图如图3—4所示，调洪成果见表4。

图3 P=0.33%Q～t和q～t过程线

图4 P=3.33%Q～t和q～t过程线

表4 林山水库调洪成果表

根据调洪演算可知，林山水库总库容10.35万m3，设计的洪水位为521.70m，校核的洪水位为521.91m。

3.4 坝顶高程复核

林山水库现状坝顶高程是522.65m，设计洪水位是(3.33%)521.70m，校核洪水位是(0.33%)521.91m。根据有关规范规定，坝顶高程等于静水位和超高总和，按下列工况计算，取最大值。根据计算，以设计工况作为控制情况，坝顶高程大于校核洪水位、大于设计洪水位521.70+0.3m。因此大坝坝顶高程不应低于522.00m，挡浪墙高程不得低于522.97，现状主坝坝顶高程522.65m，防浪墙高程523.65m，由此可知坝体超高满足规范要求，根据规定，本工程大坝防洪安全级别为“A”级。

3.5 溢洪道泄洪能力复核

林山水库溢洪道处在大坝右岸，是一个开放式正槽溢洪道，由薄壁堰、泄槽段构成。堰顶的高程是521.12m，堰宽是10.56m，经计算当溢流堰通过设计洪水(P=3.33%)Q=10.18m3/s，堰上水位为521.70m，通过校核洪水(P=0.33%)Q=15.48m3/s，堰上水位521.91m。计算时首先计算各断面临界坡降，然后与断面的实际坡降比较，判别水流流态。经计算，该溢洪道均为急流。则溢洪道水面曲线以进口断面水深开始向下游推求各桩号水位，本次采用SL 253—2000《溢洪道设计规范》进行泄槽水面线的计算，已知起始断面水深，以及流段长，根据能量方程，用分段求和法，得到下一个断面的水深。溢洪道末端桩号K0+47.30后为跌崖，洪水直接向下游泄洪，泄洪对大坝安全不影响。从已知相关数据可知，溢洪道右岸为山体，左岸实际挡水墙高度均大于所需导水墙高程，高程满足泄洪要求。根据上述分析结果，确定本工程的溢洪道泄洪能力安全级别为“A”级。

3.6 放水隧洞过流能力复核

放水隧洞布置在主坝左岸山体，放水隧洞总长144m。进水口使用斜坡式进水口，进口底板高度为513.05m，进口段采用钢管内衬，直径Φ500。进水装尺寸Φ500闸门控制，当水库检修或放空时，开启放空管闸阀进行放空，平时关闭放空管闸阀。放水洞泄流能力复核按照孔流计算，根据计算成果可知，在不考虑来水情况下水库从正常水位降至死水位时间合计约10.62d。

4 大坝渗流安全评价

4.1 现场检查

大坝坝型为粘土心墙坝，大坝上游护坡为预制块护坡，坝坡下游平整度尚可，下游坝坡采用草坪砖护坡。下游未设量水堰，现场踏勘时库区水位约520.05m(溢洪道高程为521.12m)，下游坝脚未发现渗漏情况。下游坝脚现场检查发现坝脚供水集水井已覆盖。2021年2月2日，对林山水库下游供水集水井打开进行检查，发现下游集水井内存在少量清水，底部存在约6cm深淤泥。根据水库管理人员介绍，集水井内水为其村备用水源，由大坝坝脚左岸山体处预埋了一根约0.5m长砼管，由砼管汇集山体泉水后引水至集水井。集水井底部土质为淤泥，与坝体内侧土不一致，初步判断，坝体内较少土质带出，渗流量较小，集水井内水基本为泉水。

4.2 渗流安全评价

4.2.1计算断面河计算方法

(1)计算断面

水库大坝为粘土心墙坝，计算断面选取大坝的最大断面进行计算，计算采用河海大学编写的《水工结构有限元分析系统(AutoBank7.41)》，这款软件为添加了边界条件后使用有限元来进行分析。

(2)计算原理

大坝渗流计算为无压渗流，有浸润面。在计算大坝渗流时，一般作为平面问题分析，是符合达西定律的。在这个条件下，大坝渗流运动可用拉普拉斯方程来表示，其计算公式为:

(6)

式中，kx、ky—土的水平、垂直渗透系数；H—渗透水流在某点的计算水头,m。

4.2.2计算参数

大坝渗流计算中的渗流系数指标以《永嘉县林山水库大坝安全技术认定综合评价报告》(2011年)工程地质报告推荐的渗透系数为主。主要技术参数指标见表5。

表5 坝体填土主要物理力学性质指标参数

根据SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》粘性土的渗透允许坡降可参考下式计算。

(7)

式中，GS—土粒比重，GS=2.70。n—土的孔隙率，取0.4；KB—流土安全系数，取KB=1.5。

根据计算成果可知：大坝：J主允=0.68，各种工况下水力坡均小于J允，说明工程下游排水棱体内侧反滤层可以有效的保护土质的渗透，防止流土等情况产生。由计算结果可知，当水库正常蓄水位时，大坝单宽渗流量为1.03m3/d·m，下游坝脚长度为35.28m，则理论年渗漏量为13263m3。根据现场观察库水位为520.05m时(及高水位)，下游坝脚未发现渗漏，说明实际粘土心墙回填压实度高，防渗效果好。因此，对大坝渗漏稳定影响较小。综上所述，大坝渗流稳定，渗水量较小。

5 大坝结构安全评价

5.1 现场检查

本次大坝安全评价主要根据现场检查的结果判定大坝的变形和裂缝情况。根据现场检查，坝端：坝体与岸坡连接处没有发现裂缝、崩塌、溶蚀、隆起、塌坑等异常现象。坝址近区：没有发现沉陷、隆起等异常现象。坝端岸坡：没有发现裂缝、滑动等异常迹象。另外，从现场情况看，大坝下游未发现渗漏现象。

5.2 坝坡稳定分析

5.2.1计算工况

根据规范规定及水库大坝渗流安全计算中所提供的浸润线，计算工况分别为：①正常操作条件，工况Ⅰ：上游水库水位为正常蓄水位521.12m，且上下游边坡稳定；工况Ⅱ：上游水库水位为设计洪水位521.70m且上下游边坡稳定。②非正常操作条件,工况Ⅲ：上游水库水位为校核洪水位521.91m时上下游边坡的稳定性；工况Ⅳ：上游水库水位为校核水位521.91m突然下降至死水位513.05m时上游边坡的稳定性。大坝抗震稳定计算采用河海大学开发的《土石坝边坡稳定分析系统(Autobank7.41)》。程序在计算方法方面采用简化毕肖普法。

5.2.2稳定计算结果

大坝坝坡的稳定计算结果见表6。

表6 各种工况下大坝稳定安全系数

林山水库大坝为5级建筑物，根据DLT 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》的规定，使用简化毕肖普法计算大坝边坡稳定安全系数，正常工况下安全系数不小于1.25；非正常运用条件Ⅰ下安全系数不低于1.15；从表6成果可知：大坝在上述4种工况条件下能满足规范规定的要求。

5.3 大坝结构安全综合评价

从现场检查来看，大坝没有发生位移、沉降和变形，大坝整体稳定性较好。通过坝坡稳定分析简化毕肖普法计算，大坝上下游边坡稳定满足现行的规范要求，同时从大坝多年的实际运行情况来看，大坝在2014年10号16号经历了台风“麦德姆”和“凤凰”。大坝竣工验收后经历2016年莫兰蒂及2019年利奇马超强台风，并多次承受洪水考验，大坝没有较大事故险情，都说明了大坝整体稳定是安全的。

6 结语

综上所述，林山水库大坝除险加固工程实际施工质量达到了规范要求，设计暴雨推求设计洪水方法恰当，洪水复核成果基本合理，坝体超高满足规范要求，溢洪道满足安全泄洪要求，粘土心墙回填压实度高，防渗效果好。大坝未出现位移、沉降和变形，大坝整体稳定性较好。泄洪相关设施运行一切正常，有关的观测设备也已经安装好，水库巡查制度和人员已落实，没有重大需要整改问题。林山水库已经具备了正常的运行条件，可以进行恢复蓄水。但是蓄水运行过程中应该加强巡视检查和安全监测，发现突发问题时及时进行处理，以确保水库大坝的运行安全。