某小型水庫黏土斜墻壩除險加固設計

王 倩

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

1 工程概況

某水庫總庫容13.25×104m3，屬小(Ⅱ)型水利水電工程，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。根據實際測量資料，攔河壩壩型為黏土斜墻式，壩長273 m，現狀壩頂高程50.0 m，頂寬約2.3 m，壩體上游為干砌石護坡，壩坡坡比1∶2.5，下游無護坡，壩坡坡比1∶2；壩體材料分區(qū)為黏土斜墻區(qū)、砂礫料區(qū)和壤土區(qū)；壩基坐落在全風化及強風化混合花崗巖上，裂隙發(fā)育，現場勘察該壩未見滲漏，但注水試驗結果滲透系數為1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，屬中等透水，分析原因認為主要是壩基下巖石裂隙發(fā)育。原設計的洪水標準為30年一遇設計、300年一遇校核，經復核，現狀壩頂高程不滿足該標準；除險加固后設洪水標準取為20年一遇設計，校核洪水標準取為200年一遇，正常蓄水位為48.00 m，設計洪水位為48.63 m，校核洪水位為48.87 m，汛限水位為48.00 m，死水位為43.00 m。

2 黏土心墻壩存在的主要問題

根據現場查勘，上游大部分干砌石護坡存在脫落、損壞的情況，下游無護坡；根據復核計算，壩頂高程不滿足防洪要求，下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數不滿足規(guī)范要求。

2.1 壩頂高程不滿足防洪要求

攔河壩壩頂高程不同運用情況下的計算結果見表1。

表1 不同運用情況下壩頂超高及壩頂高程計算成果表

由表1可知，設計洪水位情況時壩頂高程最大為50.076 m，設計壩頂高程取為50.1 m，本次實測壩頂高程約50.00 m，攔河壩壩頂高程不滿足防洪要求[1]。

2.2 黏土心墻壩下游壩坡穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求

2.2.1 基本資料

攔河壩為黏土斜墻式，壩頂高程為50.00 m，壩頂寬2.3 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2，壩體下游壩腳棱體排水失效。攔河壩壩軸線為曲線，壩基條件較均一，現狀壩頂高程變化不大，因此計算斷面采用攔河壩下游壩坡最陡的斷面為典型計算斷面。該區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g,相當于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，主要建筑物地震設計烈度為7度[2]。

2.2.2 壩體物理力學性質指標

針對攔河壩進行了地質勘探和試驗工作，在壩頂處布勘探孔并取樣，然后進行了壩體及壩基材料物理力學性質試驗，計算采用的壩體及壩基材料物理力學性質指標見表2。

表2 壩體及壩基材料物理力學性質指標表

2.2.3 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274-2001)[3]，攔河壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算工況見表3。

表3 攔河壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算工況表

2.2.4 計算結果

壩坡穩(wěn)定計算采用圓弧法，按計條塊間作用力的簡化畢肖普法進行計算，計算采用河海大學水工結構有限元分析系統(tǒng)(Autobankv7.0)[4]。攔河壩上下游壩坡各種工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果見表4。

表4 攔河壩現狀壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

由表4可知，攔河壩現狀下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數在正常工作條件和非常工作條件下均不滿足現行規(guī)范要求，需要對下游壩坡進行貼坡放緩處理。

3 黏土斜墻壩除險加固

針對攔河壩工程存在的主要問題，黏土斜墻壩加固項目包括黏土斜墻加高、壩頂改造、上游干砌石護坡翻修、下游壩坡貼坡放緩等。

由地質勘測成果可知，壩基座落在全風化混合花崗巖上，巖芯呈砂土狀。滲透系數為1.93×10-4～2.85×10-4cm/s，屬中等透水。全風化混合花崗巖為黏土斜墻壩基礎，地質條件較好，故本次除險加固不再進行壩基防滲處理。

3.1 壩頂改造

3.1.1 黏土斜墻加高

根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)[3]，土質防滲體頂部在正常蓄水位或設計洪水位以上的超高，對于斜墻，超高取值為0.80～0.60；非常運用條件下，防滲體頂部不應低于非常運用條件的靜水位?，F狀斜墻高程為47.96 m，小于正常蓄水位48.0 m和設計洪水位48.63 m的超高及校核洪水位48.87 m，即在正常、非常運用條件下均不滿足規(guī)范要求，需對其進行加高處理。本次加固設計采用的洪水標準為20年設計、200年校核，所需斜墻高程計算結果見表5。

表5 斜墻加高計算成果表

綜合表5結果，最終確定斜墻從47.96 m加高至49.2 m。

對于斜墻加高的處理措施，本次進行了黏土接高斜墻和垂直鋪塑兩方案的比選。兩方案施工工序均為開挖壩頂至原斜墻防滲體，回填壩體土至壩頂高程。采用土工膜接高斜墻方案，結合部位銜接較繁瑣，容易形成滲漏通道，施工中土工膜也容易破損；而采用黏土接高斜墻，施工簡單，土體間結合較好。根據以上分析，選用黏土接高斜墻方案。

根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)[3]規(guī)定，黏土斜墻加高土料采用黏土，其滲透系數要求小于1×10-5cm/s，壓實度不應小于96%。

3.1.2 壩頂路改建

改建后，壩頂高程50.1 m，壩頂寬3.0 m。路面上下游均設C25W4F200預制混凝土路緣石，尺寸50 cm×10 cm×30 cm(長×寬×高)，頂部與路面齊平。壩頂路面為厚20 cm的泥結碎石路面，寬2.0 m。

3.2 上游護坡翻修

根據壩體實測斷面資料，攔河壩上游壩坡坡比為1∶2.5?？够€(wěn)定計算結果表明，各種工況下，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數均滿足規(guī)范要求。但是現狀上游干砌石護坡大部分脫落、損壞，本次除險加固對死水位43.0 m以上損壞部位按原結構局部翻修。首先，對上游干砌石護坡進行拆除；然后，進行壩坡清表；最后，對上游壩坡進行干砌石護坡，厚30 cm，其下鋪設厚15 cm的砂礫石墊層。

3.3 下游壩坡整治

根據現場勘察，攔河壩下游無護坡；現狀壩頂寬2.3 m，下游壩坡1∶2。經過對現狀下游壩坡抗滑穩(wěn)定復核發(fā)現，各種工況下的下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數均小于規(guī)范要求，故為保證下游壩坡安全，本次加固對攔河壩下游壩坡進行貼坡放緩處理。根據壩體實測斷面，對下游壩坡采用壤土回填，壓實度不應小于96%，達到坡比1∶2.3，下游壩坡回填范圍為現狀坡底高程41.9 m至壩頂高程50.1 m，沿壩軸線長度約171 m。下游貼坡壤土施工碾壓后壓實度不應小于96%。

對下游護坡方案進行單層干砌石護坡和草皮護坡兩種方案比選。單層干砌石方案護坡厚30 cm，下設厚10 cm碎石墊層；草皮護坡方案采用在下游壩坡上種植本地植物爬地草或矮草。經計算，單層干砌石護坡方案直接工程投資27.1萬元，草皮護坡方案3.4萬元，兩方案相比草皮護坡投資較??；同時考慮到該護坡方案施工簡便，日常維護工作量小，而且可以美化環(huán)境，與周圍景色能溶為一體，經綜合分析，改建后下游壩坡表面采用草皮護坡方案。

3.4 加固后壩坡穩(wěn)定計算

本次對攔河壩除險加固主要是對下游壩坡放緩回填，上游干砌石護坡整治，黏土斜墻加高，壩頂修建泥結碎石路面和路緣石。針對加固后的典型斷面進行抗滑穩(wěn)定計算。

攔河壩下游壩坡各種工況下的抗滑穩(wěn)定計算成果見表6，加固后壩體標準斷面圖見圖1，壩坡最危險滑弧見圖2-圖4。

表6 加固后攔河壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

圖1 加固后黏土斜墻壩標準斷面圖

圖2 加固后攔河壩設計水位下游壩坡最危險滑弧

圖3 加固后攔河壩校核水位壩坡最危險滑弧

圖4 加固后攔河壩正常蓄水位+7度地震下游壩坡最危險滑弧

由表6可知，攔河壩加固后，各種工況下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數均滿足規(guī)范要求。

3.5 壩基水平滲流坡降復核

3.5.1 壩基水平滲流坡降復核

攔河壩為黏土斜墻壩，壩基水平滲流坡降按下式計算：

式中：ΔH為上下游水位差，m；l為壩基滲徑長，m。

經計算，正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位情況下，壩基最大水平滲流坡降J分別為0.112、0.123和0.128，小于壩基允許水平滲流坡降[J]=0.25。

3.5.2 壩坡出逸坡降

滲流在攔河壩坡面逸出，下游壩坡不發(fā)生流土的條件：

式中：θ為壩坡坡角，θ=23°；φ為壩體土的內摩擦角，采用本次勘探試驗結果；c為壩體土黏聚力，采用本次勘探試驗結果c=1.7 t/m2。

4 結 語

本文根據實際工程的地質勘察成果及現場查勘、檢查資料，結合計算分析，明確黏土斜墻壩實際存在的安全隱患，通過方案對比，采用Autobank軟件進行復核計算分析，確定了黏土斜墻壩具體的除險加固方案，為類似壩型除險加固提供了參考與借鑒。