胡建平

(夏邑縣水利局,河南 夏邑 476400)

1 工程概況

劉口水庫(kù)防洪作用非常重要，保護(hù)區(qū)有國(guó)家主要鐵路干線隴海鐵路、濟(jì)廣高速、105國(guó)道、商丘市區(qū)，保護(hù)人口70萬(wàn)人、耕地面積23 333.33 hm2。同時(shí)劉口水庫(kù)向下游石莊灌區(qū)供水，設(shè)計(jì)灌溉面積733.33 hm2。但鑒于歷史原因，水庫(kù)沒(méi)有按照基本建設(shè)程序進(jìn)行勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工，施工質(zhì)量較差，工程存在問(wèn)題較多，一直帶病運(yùn)行。一旦因病險(xiǎn)問(wèn)題出現(xiàn)潰決，將會(huì)給保護(hù)區(qū)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。2009年5月經(jīng)河南省水利廳核查，水庫(kù)大壩為三類(lèi)壩，屬病險(xiǎn)水庫(kù)，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固，徹底解決水庫(kù)的安全隱患。劉口水庫(kù)初建時(shí)，防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，設(shè)計(jì)洪水不足10年一遇標(biāo)準(zhǔn)，校核洪水不足20年一遇。劉口水庫(kù)現(xiàn)狀主要建筑物有大壩、溢洪道、分水閘和灌溉閘各1座。

2 大壩工程存在的問(wèn)題

2.1 壩體存在的問(wèn)題

劉口水庫(kù)壩體存在幾方面的問(wèn)題：現(xiàn)狀大壩為均質(zhì)土壩，壩體填土主要為輕粉質(zhì)壤土、局部為粉砂，設(shè)計(jì)干密度16.50 kN/m3。壩體實(shí)測(cè)資料：①壩體壓實(shí)干密度<16.50 kN/m3的占試驗(yàn)總數(shù)的100%，不合格率達(dá)100%。②壩體滲透系數(shù)平均為2.08×10-4cm/s。③壩體無(wú)防滲體，下游壩腳處無(wú)反濾層。

2.2 壩基存在的問(wèn)題

壩基存在的問(wèn)題：劉口水庫(kù)興建于1958年大躍進(jìn)年代，受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力、技術(shù)條件等諸多因素的制約，大壩壩基處理沒(méi)有正規(guī)的設(shè)計(jì)，也沒(méi)有按國(guó)家規(guī)范進(jìn)行施工；壩基為粉砂，滲透系數(shù)平均為8.06×10-3cm/s；大壩壩基未作任何防滲處理。

2.3 壩坡存在的問(wèn)題

壩坡存在的問(wèn)題：大壩上游為草皮護(hù)坡，受風(fēng)浪淘刷，護(hù)坡塌陷，壩腳有部分沖坑，不能起到防沖、防滲作用；大壩下游為草皮護(hù)坡，無(wú)排水體，無(wú)縱橫排水溝，破壞嚴(yán)重，抗沖性差，沖溝較多。

3 大壩滲流計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法和工況

滲流計(jì)算采用水力學(xué)法求解滲流場(chǎng)。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)，壩體滲流計(jì)算工況為：興利水位滲流計(jì)算；設(shè)計(jì)水位滲流計(jì)算；校核水位滲流計(jì)算；校核水位驟降到興利水位滲流計(jì)算。

3.2 計(jì)算方法及結(jié)果

滲流計(jì)算采用有限元二維滲流方法，土層滲透系數(shù)按各向同性考慮。按不透水地基上，設(shè)貼坡排水，下游無(wú)水情況。壩體浸潤(rùn)線及單寬流量計(jì)算公式如下：

(1)

L1=L-m1h1

(2)

L2=εmH+tm

(3)

(4)

(5)

式(1)(2)(3)(4)(5)中：h1—浸潤(rùn)線在下游坡逸出點(diǎn)的高度(m)；L—下游壩腳至坐標(biāo)軸Oy的距離(m)；H—壩前水頭(m)；q—壩體單寬流量(m3/d/m)；K—壩體土壤的滲透系數(shù)(m/d)；L1—坐標(biāo)原點(diǎn)到浸潤(rùn)線在下游坡逸出點(diǎn)的距離(m)；h2—浸潤(rùn)線在壩頂上游邊線位置的縱坐標(biāo)(m)；t—水面距壩頂?shù)木嚯x(m)；L2—縱坐標(biāo)到壩頂上游邊線的距離(m)；ε—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.35。

給出不同的X值(每隔1～5 m)求出不同的y值，繪出h1到h2之間的浸潤(rùn)線。下游壩坡逸出段滲流最大坡降按下式計(jì)算：

(6)

按照《規(guī)范》規(guī)定，允許滲透坡降為：

(7)

式(6)(7)中：Gs—壩體土的土粒相對(duì)密度，取2.68；n—壩體土的孔隙率，按照地質(zhì)勘察報(bào)告提供的孔隙比e=0.646，計(jì)算的孔隙率n=e/(1+e)=0.39；K—安全系數(shù)，取1.50～2.00，此次取1.75。[J]=(2.68-1)×(1-0.39)/1.75=0.58。

通過(guò)計(jì)算，可得壩體浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)、滲流量和壩體浸潤(rùn)線坡降見(jiàn)表1、表2。

表1 上下游壩坡分別為1∶4、1∶3時(shí)滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

表2 上下游壩坡分別為1∶4.50、1∶3.50時(shí)滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

4 大壩穩(wěn)定復(fù)核

4.1 筑壩材料各項(xiàng)指標(biāo)

劉口水庫(kù)始建于大躍進(jìn)年代，施工前未做全面規(guī)劃和完整設(shè)計(jì)。由于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)力量薄弱，條件限制，施工質(zhì)檢資料基本沒(méi)有。大壩穩(wěn)定分析計(jì)算所需要的筑壩材料相關(guān)指標(biāo)，主要根據(jù)地質(zhì)勘探成果中各項(xiàng)指標(biāo)分析選用，見(jiàn)表3。

表3 劉口水庫(kù)大壩穩(wěn)定計(jì)算主要參數(shù)表

4.2 大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算條件

根據(jù)規(guī)范要求，分別對(duì)大壩正常工作條件及非常工作條件下的各種危險(xiǎn)組合進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。計(jì)算工況分以下幾種：正常工作條件。①水庫(kù)水位處于正常蓄水位(55.35 m)與下游相應(yīng)水位之間的穩(wěn)定滲流期。②水庫(kù)水位處于設(shè)計(jì)水位(56.16 m)與下游相應(yīng)水位之間的穩(wěn)定滲流期。非常工作條件。①水庫(kù)水位的非常降落(由校核洪水位56.95 m降落至正常蓄水位55.35 m)。②正常水位+地震。由于劉口水庫(kù)位于Ⅵ度地震區(qū)，不再?gòu)?fù)核抗震穩(wěn)定。

大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算。劉口大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)中介紹的不計(jì)條塊之間作用力的瑞典圓弧法。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖

穩(wěn)定滲流期的安全因數(shù)，由下式確定：

(8)

式中：b—條塊寬度；W1—在壩坡外水位以上的條塊實(shí)重；W2—在壩坡外水位以下的條塊實(shí)重；Z—壩坡外水位高出條塊底面中點(diǎn)的距離；u—穩(wěn)定滲流期或水庫(kù)水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力；β—條塊的重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；γW—水的密度；C—有效強(qiáng)度指標(biāo)，土體粘聚力；φ—有效強(qiáng)度指標(biāo)，土體內(nèi)摩擦角。

通過(guò)計(jì)算，兩種壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表4、表5。

表4 大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表(上下游壩坡分別為1∶4、1∶3)

表5 大壩穩(wěn)定計(jì)算成果表(上下游壩坡分別為1∶4.50、1∶3.50)

由計(jì)算結(jié)果表4和表5可見(jiàn)，當(dāng)上下游壩坡分別為1∶4.50、1∶3.50時(shí)，大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)在正常運(yùn)用期及非常運(yùn)用期均大于規(guī)范要求的抗滑安全系數(shù)；當(dāng)上下游壩坡分別為1∶4、1∶3時(shí)，大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求。因此，大壩壩坡選用上游壩坡1∶4.50，下游壩坡1∶3.50。

5 大壩加固設(shè)計(jì)

5.1 壩頂工程設(shè)計(jì)

壩頂寬度的確定。大壩壩頂作為防洪搶險(xiǎn)的主要通道，現(xiàn)狀壩頂寬5 m。根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，中、低壩壩頂寬5～10 m，壩頂寬滿足要求。

現(xiàn)狀大壩殘缺不全，壩頂?shù)缆纷鳛榇髩畏篮閾岆U(xiǎn)的主要通道，現(xiàn)路面寬5 m，土質(zhì)路面，現(xiàn)有壩頂路面高程不能滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)需覆土筑壩至壩頂高程56.95 m，并在上游壩肩增設(shè)防浪墻至墻頂高程57.60 m，墻厚0.20 m。加固后壩頂寬5 m，鋪筑0.20 m厚的泥結(jié)碎石路面，路面寬3 m，路面橫坡為2%，單面向下游排水。下游壩肩處布置路沿石，路沿石斷面尺寸為0.15 m×0.50 m，單塊長(zhǎng)度0.80 m。

5.2 上游護(hù)坡工程設(shè)計(jì)

上游護(hù)坡工程設(shè)計(jì)采用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡。

護(hù)坡厚度計(jì)算按下式計(jì)算:

(9)

式中：η—系數(shù)，整體式大塊護(hù)坡板取1；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長(zhǎng)，m；m—上游壩坡坡率；b—沿壩坡向板長(zhǎng)，m；ρc—板的密度，ρc=2.40 t/m3；ρw—水的密度，ρw=1 t/m3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡厚度計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，確定現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡厚t=0.10 m。

現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡施工較為簡(jiǎn)單，質(zhì)量易保證，工期短、維修管理較方便，優(yōu)點(diǎn)與干砌混凝土塊基本相同，工程造價(jià)低于干砌混凝土塊和干砌塊石造價(jià)。

5.3 大壩防滲設(shè)計(jì)

劉口水庫(kù)大壩無(wú)防滲體，下游無(wú)反濾設(shè)施。本次除險(xiǎn)加固需覆土筑壩，筑壩土料主要為輕粉質(zhì)壤土，由土料重塑土物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果知，壩體滲透系數(shù)平均值為6.93×10-5cm/s，壩體粘粒含量為4.40%～9.00%，平均值為6.70%，和規(guī)范要求粘粒含量10%～30%相比偏低。壩基為粉砂，屬中等透水層，滲透系數(shù)平均值達(dá)8.06×10-3cm/s，不滿足《規(guī)范》規(guī)定均質(zhì)壩防滲土料滲透系數(shù)≤1.00×10-4cm/s的要求。因此需對(duì)大壩壩體及壩基進(jìn)行垂直防滲處理，根據(jù)劉口水庫(kù)大壩壩體及壩基的土質(zhì)，大壩防滲采用聚氨酯防滲墻。

聚氨酯防滲墻是一種新型防滲材料。它的技術(shù)原理是根據(jù)堤壩防滲設(shè)計(jì)要求，在需要防滲加固的堤壩段內(nèi)，利用靜力壓入設(shè)備，將特制成孔鉆具壓入堤壩中，形成連續(xù)的超薄型孔模。按照一定高聚物漿液配比，通過(guò)注漿管向孔模內(nèi)注射雙組份高聚物材料。高聚物材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后體積迅速膨脹，填充滿孔模并固化，高聚物材料與孔模周?chē)馏w緊密膠結(jié)在一起，將相鄰孔模交叉搭接或連續(xù)搭接，注漿后形成連續(xù)超薄高聚物防滲帷幕或防滲墻，從而達(dá)到提高堤壩防滲性能的目的。

5.4 下游壩坡工程設(shè)計(jì)

下游壩坡高程54.50～56.80 m采用草皮護(hù)坡，高程54.50 m至壩腳采用貼坡排水，貼坡排水優(yōu)化方案選擇干砌塊石和干砌混凝土預(yù)制塊兩種類(lèi)型，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上進(jìn)行比選后，最終確定下游壩體護(hù)坡材料的類(lèi)型。

干砌混凝土預(yù)制塊結(jié)構(gòu)。干砌混凝土預(yù)制塊0.12 m厚，下鋪0.15 m厚碎石墊層和250 g/m2土工布。

經(jīng)計(jì)算，大壩干砌混凝土預(yù)制塊護(hù)坡每平方米工程量為：混凝土預(yù)制塊0.12 m3，碎石墊層0.15 m3，土工布1 m2，投資為：126.35元。

干砌混凝土預(yù)制塊方案施工簡(jiǎn)單，質(zhì)量易保證，工期短、維修管理方便，但造價(jià)高于干砌塊石護(hù)坡。

5.5 排水設(shè)施設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀大壩下游沒(méi)有縱橫向排水溝，雨水在下游形成面流，對(duì)壩坡的沖蝕較為嚴(yán)重。劉口大壩除險(xiǎn)加固在壩腳設(shè)縱向排水溝一道；橫向排水溝每間隔50 m設(shè)1道，大壩兩端各設(shè)1道，高程自壩頂至壩腳，縱橫排水溝連通。排水溝斷面為0.20 m×0.50 m，采用現(xiàn)澆C20混凝土0.20 m厚。

6 結(jié)語(yǔ)

劉口大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)為徹底解決滲透問(wèn)題，截?cái)酀B透通道，設(shè)置大壩防滲墻來(lái)解決大壩的防滲問(wèn)題。防滲墻采用聚氨酯注漿方式，底部深入相對(duì)不透水層以下≥2 m。防滲墻頂高程55.55 m，底高程42.85 m，墻深12.70 m。