運行期土石壩壩頂高程存在的問題及處理

呂高峰，張 猛，杜雪珍

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國家水電站大壩安全和應急工程技術中心，浙江 杭州 310014；3.國家能源局大壩安全監察中心，浙江 杭州 310014)

根據《水電站大壩運行安全評價導則》(DL/T5313—2014)，本研究將正常壩細分為正常壩A和正常壩A-。根據這一標準，蓮花、雙溝、雪山湖、鄂坪、萬安溪等多座土石壩壩頂或防浪墻頂高程不滿足現行規范，評級為正常壩A-。早期大壩安全定期檢查期間受洪水標準變化等因素影響，也會造成大壩壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現行規范。目前的土石壩防洪安全分項按表1進行分級。

表1 土石壩防洪安全分項分級表

例如因大壩沉降，大壩防浪墻頂高程高于浪頂高程，但安全超高不足，防洪安全分項的壩頂高程評價為A-級。沉降量若繼續增大，會導致壩頂(防浪墻頂)高程低于浪頂高程或者壩頂高程低于最高靜水位，這樣防洪安全分項的壩頂高程即評定為B。大壩沉降量過大直接影響大壩的評級。

1 壩頂高程確定的依據

壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，依據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2020)，壩頂在水庫靜水位以上的安全超高應按式(1)計算確定。

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為壩頂超高，m；R為波浪在壩坡上的爬高，m；e為風壅水面高度，m；A為安全加高，m，根據壩的等級和運行條件確定。壩頂應預留竣工后的沉降超高，預留沉降超高應根據沉降計算、有限元應力應變分析、施工期監測和工程類比等綜合分析確定。預留沉降超高不應計入壩的計算高度。

2 壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現行規范的原因

2.1 未設置預留沉降超高或預留的沉降超高不足

實際施工過程中，部分施工單位并未按照設計要求預留沉降超高，這樣大壩發生沉降后，大壩壩頂高程就會低于計算壩頂高程。另外很多工程設置了預留沉降超高，但因大壩實際沉降量大于預留沉降超高后，也會造成壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現行規范。

例如雙溝大壩工程于2004年12月22日開工，2005年7月30日壩體開始填筑，2007年9月底填筑至高程586 m(壩頂高程590 m)。面板混凝土于2008年5月26日開始施工，2008年9月17日全部完成。大壩從2009年9月23日開始監測，截至2019年5月，大壩壩頂最大沉降量為270.1 mm(LD4-4測點)，實測過程線見圖1。

圖1 雙溝大壩壩頂實測最大沉降測點LD4-4沉降測值過程線

2019年6月，防浪墻頂高程低于按規范計算的防浪墻頂高程(590.79 m)0.32 m，低于防浪墻設計值(591.20 m)0.73 m，可以初步推測雙溝大壩未按規范預留竣工后的沉降超高。

2.2 特征水位提高，壩頂高程計算值變大

受原設計洪水標準偏低、洪水標準提高或建筑物級別變化等，水庫特征水位提高，導致壩頂高程計算值變化，使壩頂高程不滿足現行規范。例如山西天橋水電站原設計洪水重現期采用100年，無校核洪水標準，不滿足現行規范。貴州修文水電站設計的時候采用老規范，按重現期50年設計，200年校核，按照現行規范核查，原定的洪水標準不符合現行規范要求。下六甲電站因面板堆石壩最大壩高84.2 m，根據現行規范，堆石壩最大壩高超過80 m，建筑物級別提高至2級，洪水標準也要相應提高。因水庫的特征水位變化，導致壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現行規范要求。

3 壩頂(防浪墻頂)高程加高案例

3.1 加高防浪墻

針對壩頂高程滿足規范要求，僅防浪墻頂高程不滿足現行規范要求的大壩，只需要加高防浪墻頂高程。

土石壩防浪墻高一般為1.2 m，雙溝大壩的防浪墻實體高度只有70 cm，上部為欄桿。對于雙溝大壩安全超高不足僅32 cm的問題，2019年7月，電廠利用防浪墻上部的欄桿，在防浪墻頂部焊接鋼板，使防浪墻加高50 cm，從而使防浪墻頂高程滿足現行規范要求。因加高的部分均為安全超高，設計和校核工況下均不擋水也不防浪，所以采用焊接鋼板的形式是滿足要求的。改造前照片見圖2。

圖2 雙溝大壩改造前照片

防浪墻高度一般也不能太高，若防浪墻過高，就不便于從壩頂對大壩上游面進行巡查。若需要加高的防浪墻高度過大，可以在防浪墻靠近壩頂側增設臺階，方便巡查。例如湖北的黃龍灘水電站由于防浪墻加高后，遠高于正常成年人的身高，不利于現場檢查，因此在防浪墻靠近壩頂側增設了三個臺階，方便日常巡查。

3.2 加高壩頂

對于壩頂高程不滿足規范要求的大壩應進行大壩壩頂高程加高，另外大壩壩頂屬于臨空面，根據大壩運行管理要求，需要設置1.2 m的圍擋體，即在加高壩頂的同時加高防浪墻。若防浪墻頂原高程滿足規范要求，則在防浪墻頂增設欄桿即可；若原防浪墻頂高程不滿足規范要求，則要在防浪墻頂增設實體防浪墻。百丈漈一級大壩在定檢時，根據2019平洪水計算得出設計洪水位655.97 m，校核洪水位658.91 m。受壩體沉降影響，2020年1月實測主壩、連珠墳副壩、白墳副壩壩頂最低高程分別為658.91,658.64,658.62 m，主壩壩頂最低高程與校核洪水位一致。兩座副壩的實測壩頂高程低于校核洪水位，壩頂高程未滿足規范要求。

針對上述問題，對主副壩進行了加高，主壩、連珠墳副壩、白墳副壩壩頂高程分別加高至659.18,658.96,658.95 m，均高于校核洪水位，滿足現行規范要求。對于壩頂加高較多的大壩，考慮現場作業安全，防浪墻應進行加高，以便滿足作業安全的要求。

3.3 壩頂、防浪墻頂高程加高的建議

1) 壩頂高程滿足規范要求，防浪墻頂高程不滿足規范要求的工程，則只需要加高防浪墻頂高程。

2) 壩頂高程不滿足規范要求，防浪墻頂高程滿足規范要求的工程，則只需要加高壩頂高程，但是考慮現場作業安全，防浪墻應進行加高，以滿足作業安全的要求。

3) 壩頂和防浪墻頂均不滿足規范要求，則兩者均需要加高。

4 壩頂沉降超高的建議

導致壩頂(防浪墻頂)高程不滿足規范要求的原因主要是壩體填筑到頂后(運行期)的沉降量超過預留沉降超高，規范也要求預留沉降超高要進行工程類比，據此對國內大中型土石壩運行期的沉降量最大值進行統計。大中型土石壩主要為面板堆石壩和心墻壩，均質壩很少。鑒于面板堆石壩和心墻壩壩體結構存在較大差異，對壩體沉降有一定的影響，兩類壩型的沉降量分開統計。

4.1 面板堆石壩

面板堆石壩運行期壩頂最大沉降量在30～513.63 mm。壩頂運行期最大沉降量與壩高關系密切，最大沉降量與壩高比在0.03%～0.32%(圖3和圖4)。

圖3 壩頂運行期沉降量與壩高關系圖

圖4 壩頂運行期沉降量與壩高的比值柱狀圖

4.2 心墻壩

心墻壩運行期壩頂最大沉降量在22～1 576.4 mm，壩頂運行期最大沉降量與壩高比在0.04%～2.48%。柘林大壩和南水大壩均建設于20世紀五六十年代，鑒于當時國內土石壩建設主要采用人工填筑方式，尚無大型機械進行碾壓，導致兩座大壩運行期沉降量偏大。除柘林大壩(2.48%)、南水大壩(0.66%)外，其余均在0.29%以內(圖5和圖6)。

圖5 壩頂運行期沉降量與壩高關系圖

圖6 壩頂運行期沉降量與壩高的比值柱狀圖

綜上所述，除上述兩座大壩，國內大中型土石壩運行期壩頂沉降量與壩高的比值大部分都在0.32%以內。

《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2020)建議壩頂竣工后的預留沉降超高應根據沉降計算、有限元應力應變分析、施工期沉降監測和工程類比等綜合分析確定?？紤]工程類比因素，依據上述土石壩的統計成果,國內大中型土石壩運行期壩頂沉降量與壩高的比值大部分都在0.32%以內，考慮到上述工程部分大壩尚未完全穩定，但沉降速率均已逐步趨于穩定，采用壩高的0.5%作為控制是合適的。

5 結 語

目前,國內部分工程未嚴格按照規范要求預留沉降超高，或者預留的沉降超高不足，或者特征水位變化，均會造成壩頂(防浪墻頂)高程不滿足現行規范，建議土石壩設計、施工中應嚴格按照規范要求預留沉降超高，預留沉降超高應根據沉降計算、監測和工程類比等綜合分析確定。

通過對已運行大壩沉降數據統計，國內大中型土石壩運行期壩頂沉降量與壩高的比值大部分都在0.32%以內?？紤]到上述工程部分大壩尚未完全穩定，但沉降速率均已逐步穩定，預留的次降超高控制在壩的0.5%以內，整體是合適的。

壩頂(防浪墻)高程不足時，應及時加高壩頂和防浪墻頂高程，防止在校核標準工況下發生漫壩或翻浪，從而危及土石壩安全。加高壩頂或防浪墻頂要綜合現場實際情況進行設計。