大田水庫(kù)除險(xiǎn)加固方案研究

袁曉玲 胡順能 伍儀保 高菊英

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

我國(guó)是世界筑壩大國(guó)，堤壩類型多，從20世紀(jì)50年代末至70年代修建的水庫(kù)約8萬(wàn)座.由于當(dāng)時(shí)的歷史原因和科技認(rèn)識(shí)水平的限制，相當(dāng)一部分水庫(kù)大壩是邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工的，后來(lái)加之運(yùn)行管理不善，有許多水庫(kù)大壩成為病險(xiǎn)壩［1］，更為嚴(yán)重的是潰壩失事.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在已建8.5萬(wàn)座水庫(kù)中，病險(xiǎn)水庫(kù)約占40%.大量病險(xiǎn)水庫(kù)的存在，一方面危及廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全；另一方面導(dǎo)致工程效益減退，制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展.因此，水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工作非常重要.

本文結(jié)合成都市龍泉驛區(qū)大田水庫(kù)大壩下游壩坡散浸的工程病害，提出了砂井排滲和砂墊層排滲的加固方案.并對(duì)兩種方案進(jìn)行了三維滲流對(duì)比分析，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定最優(yōu)加固方案.

1 工程概況

大田水庫(kù)位于成都市龍泉區(qū)茶店鎮(zhèn)大田村，所處河流為袁家溝上游，流域內(nèi)海拔分布在638～524m之間.流域內(nèi)農(nóng)墾發(fā)達(dá)，農(nóng)作物以紅苕、玉米為主.流域內(nèi)年最大降水量1305.5mm，最少降水量657.7 mm，降水量集中在6～9月，占全年降水量的75%.干旱年來(lái)水量185萬(wàn)m3，水庫(kù)原主要灌溉茶店鎮(zhèn)、山泉鎮(zhèn)5200畝農(nóng)田，以及解決茶店鎮(zhèn)和山泉鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水［2］.大田水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位594.26m，校核洪水位594.53m，正常蓄水位593.00m，死水位575.09 m，總庫(kù)容159萬(wàn)m3，興利庫(kù)容119萬(wàn)m3，死庫(kù)容15萬(wàn)m3.本工程樞紐設(shè)計(jì)為Ⅳ等四級(jí)建筑物.水庫(kù)樞紐主要建筑物由攔河大壩、側(cè)槽式溢洪道、放水設(shè)施等組成.大壩為粘土斜墻石渣壩，最大壩高35.5m，壩頂長(zhǎng)199m，壩頂寬4.8m，壩頂高程596.10m.大壩橫剖面圖如圖1所示.

圖1 大田水庫(kù)橫剖面圖

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，大田水庫(kù)目前存在的主要問題是:大壩下游574m高程坡面有散浸現(xiàn)象，據(jù)觀測(cè)大壩下游散浸較為嚴(yán)重，散浸面積達(dá)776m2.本文主要研究下游壩坡坡面散浸加固的工程措施.

2 大田水庫(kù)加固方案研究

通過對(duì)壩體現(xiàn)狀滲流分析，因壩殼料滲透系數(shù)偏小，壩體在正常、設(shè)計(jì)和校核各種工況下，浸潤(rùn)線位置較高，造成壩內(nèi)滲透水長(zhǎng)期從后壩坡中下部逸出散浸，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合，說明原排水褥墊失效.壩腳減壓擋土墻結(jié)構(gòu)不利于排出壩體滲水，對(duì)下游坡穩(wěn)定不利.從穩(wěn)定分析成果來(lái)看，壩體下游坡在正常和非正常工作條件下的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均較規(guī)范小，說明壩體下游因浸潤(rùn)線位置較原設(shè)計(jì)高出許多，使壩坡穩(wěn)定條件惡化.因此大田水庫(kù)的主要病害原因是排水褥墊失效，造成下游壩坡浸潤(rùn)線抬高，大壩下游散浸較為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致下游壩坡存在滑坡的危害.

為改善下游壩坡穩(wěn)定條件，大田水庫(kù)除險(xiǎn)加固的關(guān)鍵是降低壩體浸潤(rùn)線，改善壩體滲流場(chǎng)分布.結(jié)合大田水庫(kù)的實(shí)際情況，運(yùn)用土石壩滲流控制“上堵下排”的基本原理，“堵”就是用防滲措施不讓或少讓滲流經(jīng)過壩基；“排”就是用導(dǎo)滲措施把已進(jìn)入壩基的滲流安全排走.大田水庫(kù)先前在上游壩坡鋪設(shè)防滲土工膜，但是下游散浸現(xiàn)象依然沒有得到有效的解決，因此在設(shè)置除險(xiǎn)加固方案首要的考慮下游排滲加固的方法.

壩身滲漏加固方法:（1）導(dǎo)滲溝法；（2）導(dǎo)滲培厚法；（3）導(dǎo)滲砂槽法（砂井）；（4）開挖回填高透水性材料（砂墊層）.導(dǎo)滲溝法適用于壩體散浸不嚴(yán)重，不致引起壩坡失穩(wěn)時(shí)的情況；導(dǎo)滲培厚法適用于壩體散浸嚴(yán)重，滲水在排水設(shè)施以上逸出，且壩身單薄，壩坡較陡，要求在處理壩面滲水的同時(shí)增加下游壩坡的穩(wěn)定性.顯然導(dǎo)滲溝和導(dǎo)滲培厚法不適用于大田水庫(kù)的排滲加固.因此本文主要研究砂井法和開挖回填高透水性材料加固方法.經(jīng)過比較分析研究出如下兩種方案的排滲加固措施:

（1）砂井

為改善下游壩坡穩(wěn)定條件，降低浸潤(rùn)線，采用在壩體下游坡下部鉆、挖砂井以降低浸潤(rùn)線.具體方法為:在580.00m高程及其以下沿壩橫向鉆挖砂井至坡腳，砂井?dāng)嗝鏋閳A形，孔徑為1.0m，砂井與砂井外圓相切，相鄰兩砂井圓心距離0.8m，根據(jù)大壩下游坡的寬度，砂井共布置12行，兩行圓心距6.0m，砂井的鉆挖深度從壩坡表面至壩基礎(chǔ)，其深度在18.2～1.0m，砂井從底部高程至566.00m高程填筑透水性強(qiáng)的粗砂，砂井從566.00m高程以上填筑石渣.同時(shí)在漿砌條石減壓墻上鉆排水孔，孔徑0.05m，排行距1.0m，排水孔呈梅花形布置.

（2）砂墊層方案

針對(duì)滲漏的現(xiàn)狀，結(jié)合壩體的實(shí)際情況，本次整治設(shè)計(jì)對(duì)壩體的穩(wěn)定進(jìn)行了安全復(fù)核，經(jīng)計(jì)算，自壩體下游575.0m高程處向下開挖1∶1.5的臨時(shí)邊坡至壩趾處排水拱圈頂部，然后回填高透水性的砂礫石料至原大壩輪廓，該方案能達(dá)到降低浸潤(rùn)線，減少壩體散浸的要求.同時(shí)結(jié)合本次設(shè)計(jì)的下游排水溝把滲水排到壩趾處并匯流入大田水庫(kù).考慮下游坡的美觀，清除下游坡50cm厚的表土及雜草，回填至原輪廓并種植草皮.大壩經(jīng)2006年上游坡進(jìn)行的土工膜防滲處理，下游壩坡大面積散浸現(xiàn)象得到了有效控制，但仍然有局部的散浸現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)漏水比較嚴(yán)重的部位位于下游壩坡574.0m高程附近，靠近下游坡第二級(jí)馬道.針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)上采用開挖部分壩料置換成高透水性的沙礫石料，以加強(qiáng)壩坡排水保障大壩的安全.具體設(shè)計(jì)方案為:沿壩坡按1∶1.5的邊坡從高程575.00m至高程564.00m挖出原壩料，然后依次鋪設(shè)厚為20cm的砂、30cm的碎石，沿壩坡表層鋪設(shè)厚為6cm的預(yù)制砼六棱塊，其余部分用石渣料填充.并在壩腳566.0m高程處設(shè)排水溝，采用M7.5漿砌磚筑成，M10砂漿勾縫，排水溝尺寸為30cm×50cm，漿砌磚厚度為20cm.

3 加固方案比較分析

為了分析比較上述兩種排滲方案的優(yōu)劣性，利用ANSYS軟件分別建立三維滲流有限元分析模型［3－6］，計(jì)算降低浸潤(rùn)線的排滲效果.

3.1 現(xiàn)狀三維滲流分析（排水褥墊失效情況）

（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖三維有限元計(jì)算模型

模型計(jì)算范圍是上、下游各取兩倍壩高，壩基取一倍壩高.沿Z方向（壩軸線方向）長(zhǎng)度為66m，沿X軸方向長(zhǎng)為338.66m，沿Y方向長(zhǎng)度為73.9m.為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在進(jìn)行三維滲流計(jì)算中，只考慮土壩的壩體和壩基滲流，不考慮繞壩滲流，故計(jì)算模型未考慮左右兩岸的山體.

（2）計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)列于表1.

表1 砂井方案壩體滲透系數(shù)

（3）計(jì)算成果見圖2～5.

3.2 砂井方案三維滲流分析

模型計(jì)算范圍同現(xiàn)狀計(jì)算模型.

（1）計(jì)算參數(shù).計(jì)算參數(shù)列于表2.

表2 砂井方案壩體滲透系數(shù)

（2）計(jì)算成果.計(jì)算成果如圖6～9所示.

3.3 排水砂墊層方案三維滲流分析

模型計(jì)算范圍同現(xiàn)狀計(jì)算模型.

（1）計(jì)算參數(shù)見表3.

表3 砂墊層方案壩體滲透系數(shù)

（2）計(jì)算成果如圖10～13所示.

3.4 加固方案三維滲流成果分析

（1）從圖2～5可以看出，壩體浸潤(rùn)線（自由面）在下游壩坡的出逸點(diǎn)較高，根據(jù)ANSYS滲流迭代計(jì)算結(jié)果大約在572.7m，主要是因?yàn)閴误w排水褥墊失效，壩體風(fēng)化石渣壩料滲透系數(shù)較小，從而使浸潤(rùn)線位置較高，從滲透坡降等值線分布圖來(lái)看，在心墻部位坡降較大，達(dá)到2.5，均小于土體允許的滲透坡降5，不會(huì)發(fā)生滲透破壞.

（2）從圖6～9可以看出，砂井方案壩體浸潤(rùn)線在下游壩坡與現(xiàn)狀相比有較大的降低，逸出點(diǎn)高程為571.7m.浸潤(rùn)線有所降低，但是下游出逸點(diǎn)仍然較高，還會(huì)在下游壩坡形成散浸區(qū)，這是因?yàn)楸M管在下游壩坡散浸區(qū)開挖了很多條形的砂井帶，并回填透水性能較好的粗砂，顯然可以改善下游壩坡排滲的條件，但是由于原壩殼料為風(fēng)化石渣壩料，且其滲透系數(shù)較小，使其在沿壩軸線方向的滲流積聚效應(yīng)不是很好，滲流會(huì)在沿著砂井條帶浸潤(rùn)面降低得較快，從滲流壓力整體模型圖可以看出，自由面得到也得到了降低.砂井方案滲透坡降在心墻部位較大，砂井部位也較大.但是均不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞.

（3）從圖10～13可以看出，排水砂墊層方案壩體浸潤(rùn)線同現(xiàn)狀和砂井方案相比，有了顯著的降低，逸出點(diǎn)高程為564.6m，相比現(xiàn)狀572.7m降低了8.1m，解決了滲流在下游壩坡散浸的問題，滲流將會(huì)從壩腳漿砌條擋土墻上的梅花排水孔排出.砂墊層之所以可以顯著降低浸潤(rùn)線，主要是因?yàn)樵谙掠螇纹氯珨嗝娑荚O(shè)置了透水性能較好的砂墊層，為積聚在壩內(nèi)的滲水找到了很好的出口.

4 加固方案比選擇優(yōu)

從砂井方案和排水砂墊層的分析比較可以看出，砂墊層降低下游壩坡浸潤(rùn)線效果顯著.從施工技術(shù)上來(lái)說，砂井需要在下游壩坡利用鉆機(jī)鉆孔，并在鉆孔內(nèi)回填粗砂，施工程序多，造價(jià)較高；而砂墊層方案只需要在下游壩坡進(jìn)行開挖一部分土料置換成高透水性的材料在進(jìn)行回填，但是在對(duì)下游開挖施工的時(shí)候存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，在整治時(shí)需要將上游水位降低以保證壩體的安全.經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，選用排水砂墊層方案.

［1］汝乃華，牛云光.大壩事故與安全·土石壩［M］.北京:水利水電出版社，1999.

［2］成都市水利電力設(shè)計(jì)研究院.大田水庫(kù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告及初步設(shè)計(jì)圖冊(cè)，2001.

［3］許玉景，孫克俐，黃福才.ANSYS軟件在土壩滲流穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2003，29（4）:69－71.

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［5］許玉景，孫克俐，黃福才.ANSYS軟件在土壩滲流穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2003，4（4）:69－71.

［6］杜二霞.均質(zhì)土壩滲流有限元分析研究［D］.石家莊:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.