跋山水庫(kù)土石壩除險(xiǎn)加固方案研究

李元慶，宋增偉

(沂水縣跋山水庫(kù)管理處，山東 沂水 276400)

1 概 述

由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平發(fā)展較為落后，我國(guó)早期修建的大壩質(zhì)量較低，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的破壞。針對(duì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)的大壩采取相關(guān)的加固措施是十分必要的。目前，我國(guó)已有較多的大壩采取了除險(xiǎn)加固治理工程措施[1-3]。在我國(guó)，土石壩是一種極為常用的壩型，但施工控制不嚴(yán)格則易出現(xiàn)地震液化、壩坡穩(wěn)定性不滿足要求等風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。

2 工程概況

跋山水庫(kù)安全工程等別為Ⅱ等，主壩為壤土心墻砂殼壩，東西副壩為壤土砂殼分區(qū)壩。主壩控制樁號(hào)0+439～1+289，壩頂寬7.5 m，凈寬7.0 m，壩頂高程185.65 m，防浪墻頂高程186.85 m。上游為干砌石護(hù)坡，174.00 m高程設(shè)寬度2.0 m的戧臺(tái)，164.00 m以下設(shè)頂寬25.00 m的復(fù)式拋石壓重體，坡比自上而下依次為1∶2.75、1∶3.0、1∶2.0。經(jīng)復(fù)核，現(xiàn)狀壩體不滿足抗震液化和抗滑移穩(wěn)定性要求。

3 除險(xiǎn)加固方案

3.1 抗液化加固方案

3.1.1 加固方案比選

從液化產(chǎn)生的機(jī)理、初始應(yīng)力條件及控制液化開(kāi)展等因素考慮，壩體抗液化安全加固可采取改善土體密實(shí)度、壓重增大土體上覆有效應(yīng)力、放緩坡度以及圍封限制液化開(kāi)展等措施。1998年保安全加固時(shí)，對(duì)上下游壩腳進(jìn)行了壓重加固，使壩基液化區(qū)域已遠(yuǎn)離土壩壩腳，壩基液化對(duì)壩體產(chǎn)生危害的可能性較小。根據(jù)工程現(xiàn)狀情況，僅對(duì)上游砂殼可能液化區(qū)域進(jìn)行加固，主要論證壓重與振沖結(jié)合及壓重與翻壓結(jié)合兩個(gè)加固方案。

方案一 ：壓重與振沖結(jié)合方案。砂殼下部易液化區(qū)域進(jìn)行壩前壓重，上部易液化區(qū)域振沖加固。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是，水下壓重水上振沖便于實(shí)施，可有效改善土體的初始應(yīng)力狀態(tài)及密實(shí)程度，提高抗液化能力。此方案的主要缺點(diǎn)是，振沖加固施工工作面大、周期長(zhǎng)、造價(jià)高。加固方案見(jiàn)圖1。

圖1 壓重與振沖結(jié)合方案

方案二：壓重與翻壓結(jié)合方案。砂殼下部易液化區(qū)域進(jìn)行壩前壓重，上部易液化區(qū)域采取翻壓加固。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是，壓重改善下部土體有效附加應(yīng)力，提高抗液化能力，翻壓加固便于操作，易控制。該方案的主要缺點(diǎn)是，翻壓加固工作面大，施工周期長(zhǎng)。加固方案見(jiàn)圖2。

圖2 壓重與翻壓結(jié)合方案

經(jīng)上述比選論證，在保證大壩壩坡安全、降低工程造價(jià)的前提下，壩體抗液化安全加固采取壩前壓重與翻壓結(jié)合的方案。

3.1.2 抗液化加固設(shè)計(jì)

大壩樁號(hào)0+440～1+290段，上游167.5 m高程以下堆石壓重，平臺(tái)頂寬15.0 m，坡度1∶1.5。壩前壓重料可采用溢洪道出水渠開(kāi)挖、溢洪閘拆除混凝土及防汛路擴(kuò)挖石方，廢料利用較少工程占地和環(huán)境影響。砂殼翻壓長(zhǎng)度范圍同壓重，底高程169.00 m，底寬15.0 m，施工臨時(shí)邊坡1∶1.7，砂殼翻壓后相對(duì)密度應(yīng)≥0.75。

上游砂殼翻壓時(shí)，庫(kù)水位應(yīng)控制在167.0 m以下，以減少孔隙水對(duì)砂殼翻壓的影響。施工期上游坡最危險(xiǎn)滑弧安全系數(shù)為1.279，大于規(guī)范允許值1.25，滿足施工要求?；∥恢靡?jiàn)圖3。

圖3 施工期上游坡最危險(xiǎn)滑弧示意圖

3.2 上游壩坡加固方案

3.2.1 加固方案的論證

針對(duì)現(xiàn)狀上游坡石厚度偏小，風(fēng)浪作用下有效重量小、易受風(fēng)浪破壞的問(wèn)題，可采取加大護(hù)坡石厚度、增加單位面積重量以及提高護(hù)坡整體性等措施保證上游護(hù)坡的運(yùn)行安全。各加固方案論證見(jiàn)表1。

表1 大壩上游護(hù)坡加固方案論證

上述分析可見(jiàn)，大壩上游坡采用干砌石防護(hù)不具操作性，從大壩施工組織及統(tǒng)籌安排等方面重點(diǎn)比選方案二及方案三。

3.2.2 護(hù)坡厚度計(jì)算及方案確定

根據(jù)上游護(hù)坡設(shè)計(jì)型式，分別計(jì)算水庫(kù)在不同運(yùn)行條件下的干砌石、漿砌石、混凝土板厚度。干砌石厚度計(jì)算采用式(1)-式(3)；混凝土板厚度、漿砌石厚度計(jì)算采用式(4)。

(1)

Q=0.85Q50=0.525pkD3

(2)

(3)

(4)

式中：η為系數(shù)；hp為累積頻率為1%的波高；b為沿壩坡方向板長(zhǎng)；pc為板的密度；D、D50為石塊換算的球徑、平均球徑；Q、Q50為石塊質(zhì)量、平均質(zhì)量；t為護(hù)坡厚度；Kt為與坡率有關(guān)的系數(shù)；pk、pw為塊石、水的密度。

1) 計(jì)算工況。分別計(jì)算正常運(yùn)行條件下興利水位178.00 m、設(shè)計(jì)洪水位179.95 m及多年平均最低水位171.00 m時(shí)的護(hù)坡厚度，非常運(yùn)行條件下萬(wàn)年一遇校核洪水位184.34 m及5 000年一遇洪水位183.30 m時(shí)的護(hù)坡厚度。

2) 計(jì)算參數(shù)。波浪要素同壩頂超高計(jì)算；干砌塊石容重27 kN/m3，漿砌石容重24 kN/m3，混凝土板容重25 kN/m3；選取縱向格梁間距作為沿壩坡向計(jì)算長(zhǎng)度，格梁間距初擬為3.0 m；混凝土板沿坡向計(jì)算長(zhǎng)度5.0 m，壩面坡度1∶2.75。

3) 計(jì)算分區(qū)。根據(jù)壩面位置及擋水高度的不同，分別計(jì)算主壩、東副壩、西副壩不同計(jì)算工況下不同護(hù)坡型式的厚度。

不同壩段各計(jì)算工況下干砌石、漿砌石、砼板護(hù)坡厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 大壩護(hù)坡厚度計(jì)算結(jié)果 /m

由上述計(jì)算可知，干砌石護(hù)坡最大厚度0.41 m，漿砌石護(hù)坡最大厚度0.25 m，混凝土板護(hù)坡最大厚度0.19 m；主壩處計(jì)算厚度最大，東西副壩厚度相近。安全鑒定時(shí)，檢測(cè)上游護(hù)坡厚度分別為：主壩18～28 cm，副壩16～27 cm，壩頂附近厚度相對(duì)較大。

結(jié)合大壩現(xiàn)狀護(hù)坡情況及計(jì)算結(jié)果，為充分利用現(xiàn)有建材并保證護(hù)坡的耐久性，宜采用混凝土格梁內(nèi)嵌細(xì)石砼砌石方案。

3.3 下游壩坡加固方案

東西副壩下游壩腳以上3.0 m范圍設(shè)貼坡排水。護(hù)坡石厚度控制在15～25 cm。貼坡與現(xiàn)狀壩體之間設(shè)碎石反濾過(guò)渡層，0.5～4 cm碎石層厚200 mm。加固后，穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，大壩防滲加固和壩后壓重后各計(jì)算斷面壩坡抗滑安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

表3 計(jì)算參數(shù)

大壩上游坡抗滑控制工況為興利水位下遇8度地震，最小安全系數(shù)為1.284，主壩段為控制斷面；大壩下游坡抗滑控制工況為設(shè)計(jì)水位下遇8度地震，最小安全系數(shù)為1.203，主壩段為控制斷面。主壩地震工況為大壩壩坡穩(wěn)定控制條件。見(jiàn)圖4-圖6。

圖4 0+290斷面最危險(xiǎn)滑弧示意圖

圖5 0+890斷面最危險(xiǎn)滑弧示意圖

圖6 1+290斷面最危險(xiǎn)滑弧示意圖

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)方案比選，選取壩前壓重與翻壓結(jié)合方案，以保證壩體滿足抗液化安全需要，具有投資低、加固效果好等優(yōu)點(diǎn)。

2) 采用混凝土格梁內(nèi)嵌細(xì)石砼砌石方案加固壩體上游壩坡，采用貼坡加固下游壩坡，可改善上游壩坡穩(wěn)定性較低的現(xiàn)狀。經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，加固后壩坡穩(wěn)定性滿足要求。