水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)研究

◇臨沂市蘭山區(qū)劉莊水庫(kù)管理中心 姚殿福

基于某水庫(kù)工程，通過(guò)實(shí)地調(diào)研結(jié)合理論分析的方式，采用AutoBANK軟件進(jìn)行建模分析，對(duì)比了水庫(kù)在加固前后的質(zhì)量，并對(duì)水庫(kù)滲流穩(wěn)定進(jìn)行分析，基于該水庫(kù)存在的壩身壓實(shí)度低、滲漏穩(wěn)定以及抗滑穩(wěn)定等問(wèn)題，對(duì)相應(yīng)的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，為工程方案的設(shè)計(jì)理論及實(shí)踐奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)類似工程提供參考。

1 引言

水庫(kù)項(xiàng)目在防洪、供水、農(nóng)業(yè)灌溉、民生和改善生態(tài)環(huán)境等多方面都有重要作用，能夠有力推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。關(guān)于水庫(kù)這類水工建筑物的安全性已有較多研究，國(guó)外主要從風(fēng)險(xiǎn)值概念入手分析水工建筑的安全性[1]，如D.E.Plate通過(guò)離散系統(tǒng)性能對(duì)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究[2]，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)安全系數(shù)K對(duì)水工建筑物的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]，如劉輝等人通過(guò)應(yīng)變空間表征法探討評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]?；诓‰U(xiǎn)水庫(kù)開(kāi)展除險(xiǎn)加固不僅能使其防洪保障能力提升，還能使其風(fēng)險(xiǎn)程度大幅下降，對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)除險(xiǎn)加固方法有重大意義[5]。

2 工程概況

某小型水庫(kù)主要用于灌溉，并兼具防洪等需要。該水庫(kù)有1.03km2匯水面積，原有約19.82×104m3的總庫(kù)容。水庫(kù)工程等級(jí)為V級(jí)，主要的水工建筑物等級(jí)為5級(jí)。采用均質(zhì)土建設(shè)大壩，約有200m長(zhǎng)度，4m高度，壩頂約有4.5m寬。在迎水坡未設(shè)護(hù)坡，壩頂約有45m高程，迎水側(cè)坡約有1:1.5的坡度比，背水側(cè)坡約有1.25的坡度比。大壩西側(cè)設(shè)置0.5m直徑的兩座并排圓管涵作為溢洪道，涵底板約有44m的高程。

當(dāng)前，該水庫(kù)放水涵共有兩座，其中，東側(cè)的圬工涵有42m的底部高程，0.5m×0.6m的尺寸。西側(cè)為0.3m直徑的混凝土簡(jiǎn)易圓管涵。兩涵進(jìn)水口未設(shè)置各項(xiàng)控制設(shè)施，出口未設(shè)置消能設(shè)施。當(dāng)前，兩座放水涵已經(jīng)嚴(yán)重老化，涵身出現(xiàn)漏水。該水庫(kù)建設(shè)以來(lái)，上游護(hù)坡有嚴(yán)重的土體塌陷，大壩壩腳的中部位置有滲漏現(xiàn)象存在，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，主要存在如下問(wèn)題：壩身壓實(shí)度低、壩身防滲性不足、壩身抗滑穩(wěn)定不足。

針對(duì)以上分析，建議對(duì)大壩邊坡進(jìn)行加固，以解決壩身防滲性不足以及抗滑穩(wěn)定等問(wèn)題。

3 安全復(fù)核

圖1 滲流復(fù)核計(jì)算斷面

基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)研結(jié)果，對(duì)壩體及壩基防滲情況進(jìn)行驗(yàn)算。為對(duì)滲漏情況進(jìn)行復(fù)核，以0+160.7樁號(hào)典型剖面作為計(jì)算斷面。

基于相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，以下表1所示組合作為工況進(jìn)行計(jì)算。

表1 計(jì)算工況及相應(yīng)水位組合表

通過(guò)AutoBANK軟件分析水庫(kù)壩體在除險(xiǎn)加固前后質(zhì)量，所建模型如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 大壩滲流計(jì)算主要成果表

從計(jì)算結(jié)果可知，壩體和壩基的接觸面在典型斷面上有0.086的水平比降最大值，比粉質(zhì)黏土的臨界比降要小得多，即滲透穩(wěn)定符合條件。在校核水位條件時(shí)，下游壩坡滲出段出現(xiàn)有約0.489的出逸比降最大值，比粉質(zhì)粘土允許值小。因此，該位置在滲流方面較為安全。

圖3 穩(wěn)定滲流期大壩滲流計(jì)算示意圖

4 加固方案

4.1 壩頂設(shè)計(jì)

該水庫(kù)蓄水位在此次設(shè)計(jì)時(shí)的正常值為44m，洪水位經(jīng)校核后為45m，壩頂現(xiàn)高程約為45.30m，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該大壩填筑施工質(zhì)量較差，為使其得到提升，確保壩頂交通要求能得到滿足，復(fù)核壩頂高程可知其需滿足：壩頂高程統(tǒng)一整平到46m，土體壓實(shí)度應(yīng)在0.95以上。當(dāng)前，大壩壩頂有不同的寬度，有較多沉陷且不平，為確保壩頂交通能夠符合要求，需統(tǒng)一將壩頂寬度加寬到4m，并鋪設(shè)3.5m寬的泥結(jié)石路面；道路結(jié)構(gòu)從上到下分別為：泥結(jié)石層100mm、砂礫層200mm，路面采用單向排水，有1.5%坡度。

4.2 防滲加固方案比選

該水庫(kù)存在較差的填筑質(zhì)量，部分部位滲水，部分壩身存在較高出逸點(diǎn)?；谒霈F(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，比選如下兩個(gè)方案：粘土斜墻方案及多頭小直徑防滲墻方案。

在粘土斜墻方案中，其防滲設(shè)施主要通過(guò)在壩體上游位置斜筑有著較低滲透系數(shù)的粘性土體[6]。本方案所用斜墻應(yīng)具備1×10-5cm/s的滲透系數(shù)，且自上而下防滲材料應(yīng)該逐層加厚，頂部應(yīng)具備1.5m以上寬度。在該方案中，因?yàn)槭┕r(shí)為機(jī)械化施工，施工時(shí)較為簡(jiǎn)單，僅需投入較小的勞動(dòng)力，且成型后較容易進(jìn)行檢修補(bǔ)強(qiáng)。但該種方案在較緩的上游坡中，需要較大的粘土和工程量，容易出現(xiàn)較差的抗震性以及不均勻沉降性，有較高的粘土參數(shù)要求。

圖4 粘土斜墻方案

在多頭小直徑防滲墻方案中，是指結(jié)合單頭和雙頭小直徑深層攪拌技術(shù)的一種防滲技術(shù)，將水泥漿通過(guò)高壓泥漿泵輸送到鉆桿中，并經(jīng)埋設(shè)在葉片中的孔洞噴射到土體內(nèi)，攪拌土體及水泥漿后形成一個(gè)連續(xù)墻體，以發(fā)揮防滲作用[7]。該種方案適宜在粘土、砂土以及淤泥等土層環(huán)境中使用，適宜的處理深度在18m以下。但該種方案有較高的土層地質(zhì)條件要求，施工過(guò)程容易遇到各項(xiàng)障礙物，相比之下較難施工，成墻效果所受影響也較大。

圖5 多頭小直徑防滲墻方案

出于對(duì)該水庫(kù)具體情況的考量，結(jié)合上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為通過(guò)粘土斜墻方案進(jìn)行加固有更好的防滲效果，施工較為簡(jiǎn)便，且投入較小，加固后能有效避免大壩出現(xiàn)滲漏。因此決定采用粘土斜墻的方式進(jìn)行加固。

通過(guò)粘土斜墻對(duì)大壩迎水測(cè)進(jìn)行加固。粘土斜墻設(shè)計(jì)有2m的頂部寬度，暫定以1.5m作為截滲槽的開(kāi)挖深度。斜墻頂部高程決定以0.5m加設(shè)計(jì)水位，即45.30m進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.3 壩坡設(shè)計(jì)

當(dāng)前大壩迎水坡缺少護(hù)坡砌筑，存在較大的浪坎和塌坡情況，對(duì)大壩安全而言較為不利。

（1）上游壩坡加固。當(dāng)前壩坡護(hù)坡砌筑主要包括干砌塊石、格埂混凝土塊以及現(xiàn)澆混凝土三種護(hù)坡方式。[8]因格埂混凝土塊護(hù)坡的方式有較差的變形適應(yīng)性能，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)后容易斷裂，因此此次設(shè)計(jì)不考慮該種方案。在干砌石護(hù)坡方式中，其有著較強(qiáng)的沉降變形適應(yīng)能力以及較好的抗風(fēng)浪效果，但塊石厚度在制作時(shí)存在較大的偏差，經(jīng)計(jì)算大約需投入53元/m3。在現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡方式中，因?yàn)橛兄^為規(guī)則的尺寸，故澆筑較為簡(jiǎn)單，且外觀整齊較為美觀，有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，但抗凍性能較差，經(jīng)計(jì)算需投入46元/m2。經(jīng)比較，認(rèn)為采用現(xiàn)澆混凝土的方式進(jìn)行護(hù)坡能夠起到更好的加固效果，且所需投入資金較少，建成后也有較為美觀的坡面。故決定通過(guò)現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡的方式加固迎水側(cè)護(hù)坡。具體施工時(shí)應(yīng)從壩頂?shù)狡履_設(shè)置護(hù)砌，但出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，此次設(shè)計(jì)的護(hù)坡在進(jìn)行清基以及壩坡整治之后，有1:2.5的坡比，決定通過(guò)現(xiàn)澆混凝土的方式對(duì)上游壩腳到45.30m高程進(jìn)行護(hù)坡，而自45.30m高程起到壩頂則通過(guò)草皮進(jìn)行護(hù)坡，將混凝土鎮(zhèn)腳設(shè)置到壩腳中。采用10cm碎石以及10cm現(xiàn)澆混凝土自下而上鋪設(shè)護(hù)坡。

（2）下游壩坡加固。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，背水坡未設(shè)置護(hù)坡襯砌，存在塌坡情況。因此，為避免滲漏水對(duì)壩坡造成沖刷，基于大壩防滲要求，需布置排水溝兼作灌溉渠。當(dāng)前主要通過(guò)草皮護(hù)坡的方式進(jìn)行下游的護(hù)坡，因大壩施工需要，需先開(kāi)展清基工作，加固之后再栽種草皮以進(jìn)行護(hù)坡。當(dāng)前，大壩設(shè)置有排水溝，且有較大的斷面，為防止壩坡被雨水沖刷，將重新在下游壩腳位置設(shè)置排水溝以將水引流到下游渠道中。以梯形斷面設(shè)計(jì)排水溝，溝底約有1m寬度以及1m深度。

4.4 加固后大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面

綜合上述分析，需整平大壩頂部，約有46m設(shè)計(jì)高程以及4m寬度；大壩頂部設(shè)置有3.5m寬度的泥結(jié)石道路，道路結(jié)構(gòu)從上到下劃分為：泥結(jié)石層100mm厚度、砂礫石基層200mm厚，0.95以上壓實(shí)度，單向排水，1.5%排水坡度。通過(guò)將粘土斜墻設(shè)置到迎水側(cè)的方式作為大壩截滲方案。粘土斜墻有2m的頂部寬度，截滲槽暫定設(shè)置為1.5m的深度。斜墻頂部設(shè)計(jì)為45.30m高程。

圖6 加固后大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

新建的上游護(hù)坡在進(jìn)行清基之后，需整治迎水側(cè)壩坡，使用100mm厚度的C20現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行坡腳到45.30m高程的護(hù)坡，并在下面設(shè)置100mm厚度的碎石墊層。45.30m高程到壩頂處通過(guò)種植草皮的方式進(jìn)行護(hù)坡，并設(shè)置1:2.5的坡度比?？紤]到交通問(wèn)題，在背水坡處設(shè)置三道2m寬度的泥結(jié)石路面的上壩踏步。重新在壩腳位置修建排水溝，并兼用于灌溉渠，以1m深、1m底寬、1:1邊坡的梯形斷面作為排水溝的設(shè)計(jì)斷面，全長(zhǎng)180m以C20混凝土預(yù)制板進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于某水庫(kù)大壩所存在的安全問(wèn)題，對(duì)其除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保該水庫(kù)的安全。經(jīng)調(diào)研可知，該水庫(kù)在加固前存在壩身壓實(shí)度低，壩身滲漏問(wèn)題。且溢洪道結(jié)構(gòu)對(duì)泄洪較為不利，放水涵已嚴(yán)重老化，出口處缺少效能結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。經(jīng)除險(xiǎn)加固分析，決定通過(guò)粘土斜墻的方式進(jìn)行加固。此次設(shè)計(jì)的粘土斜墻有2m頂部寬度，并暫定以1.5m作為截流槽的開(kāi)挖深度。斜墻頂高程為45.30m。分析其滲流情況可知，該水庫(kù)水平比降最大值為0.086，比粉質(zhì)粘土臨界值小，能夠滿足滲透穩(wěn)定的要求。