水庫除險加固設計探討——以西泉水庫為例

彭玉剛

(新疆新水水力科技發(fā)展有限公司，烏魯木齊830002)

1 項目概況

西泉水庫是土墩子農場西泉灌區(qū)農業(yè)灌溉供水的重要水源之一，對土墩子農場的農業(yè)生產發(fā)揮著較大的作用?，F狀西泉水庫由擋水壩、放水涵閘兩部分組成。該水庫目前主要存在的結構病害為:

1) 水庫淤積嚴重，壩頂超高不滿足規(guī)范要求，調蓄能力銳減。西泉水庫原設計庫容150 萬m3，現水庫淤積后實際庫容僅為45.1 萬m3，已淤積105 萬m3。同時，水庫壩頂超高不滿足規(guī)范要求，只能低水位運行。由于西泉水庫是西泉灌區(qū)目前唯一的灌溉水源，水庫調蓄能力的降低，使土墩子農場西泉灌區(qū)現狀1 333.3 hm2耕地存在嚴重的季節(jié)性缺水問題，農作物處于不完全灌溉狀態(tài)，已嚴重的影響了土墩子農場西泉灌區(qū)的農業(yè)生產，制約了土墩子農場的經濟發(fā)展。

2) 壩體施工質量差。由于是“三邊”工程，沒有設計，農場自行圍堰筑壩，土料填筑質量不合格，存在粉細砂夾層，土體飽水軟化，強度降低，壩后排水情況較差，致使壩后坡常年處于飽水狀態(tài)，壩體填筑土體性質將繼續(xù)惡化，危及壩體穩(wěn)定。

3) 壩后滲漏嚴重。由于壩基存在粉細砂夾層，同時由于筑壩施工時未清基，形成滲漏安全隱患，伴隨有滲透破壞，直接威脅壩體安全。

4) 放水閘閘門存在止水老化、閘體射水、銹蝕嚴重，啟閉困難等故障。目前開啟困難，不能完全關閉，啟閉設備露天設置，銹蝕嚴重，閘門啟閉緩慢。

2 除險加固設計

2.1 壩頂構造設計

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》中對壩頂寬度的要求，壩頂寬度應為3 ～6 m，西泉水庫現狀壩頂寬度為5 ～8 m，為滿足施工、運行和抗震要求，設計水庫土壩頂寬度為4.5 m。為方便水庫管理、維修及防汛并防止防滲體干裂和雨水沖蝕，設計壩頂路面為泥結石路面，路面長2 947.5 m，路面寬4.5 m，泥結石層厚20 cm。

2.2 壩坡坡比設計

因西泉水庫現狀壩體為土壩，上下游邊坡不規(guī)整，現狀邊坡上游坡比為1∶10 ～1∶2.6，下游坡比為1∶8 ～1∶2.4。通過本工程除險加固后，擬定上游壩坡坡比為1∶2.5，下游壩壩坡比為1∶2.0。現需確定壩體加高培厚后上下游邊坡是否穩(wěn)定。本工程擬定上游壩坡坡比為1 ∶2.5，下游壩壩坡比為1∶2.0。通過采用北京理正軟件設計研究所開發(fā)的《理正工程設計工具箱》中的“壩坡穩(wěn)定分析軟件4.0 版”對壩體進行計算，對上、下游壩坡采用擬靜力瑞典圓弧有效應力法進行計算( 浸潤線、孔隙水壓力場根據滲流計算所得) 。水庫土壩上、下游邊坡在正常工作條件和非常工作條件下抗滑穩(wěn)定計算的最小安全系數均大于《規(guī)范》允許值。說明設計上游坡坡比為1∶2.5，下游坡坡比為1∶2 是抗滑穩(wěn)定安全的。

2.3 壩體加高、培厚設計方案

根據水庫壩頂超高計算，主壩段壩頂超高值平均為1.4m。對加高部分可選擇2 種方案，分別為壩頂土方加高+混凝土防浪直墻;壩頂土方加高。壩頂土方加高+混凝土防浪直墻加高方案，對主壩段壩體加高部分采取土方+防浪直墻加高方式。根據壩頂超高值確定的壩頂高程為560.5 m，設計防浪墻高1.0 m，壩頂設計高程為559.5 m，在559.5 m高程以下需加高部分采用土方加高。壩體上、下游坡比分別為1∶2.5 和1 ∶2.0。防浪墻采用C25 鋼筋混凝土結構，墻厚0.25 m，墻體形式為“L“型。墻深2.1 m，基礎寬1.2 m，基礎板厚0.25 m。559.5 m以下壩體土方加高、培厚采取從上游壩頂處開始向下游側加高、培厚方法。壩頂土方加高方案即主壩段壩頂全部采用由上游坡頂開始向下游側進行土方加高培厚壩體的方法。土方由原壩頂559.50 m 加高到560.50 m，壩頂土方壓實寬度4.5 m。

從工程量看，前者較后者土方少1.00 萬m3，較方案二增加混凝土1 615 m3，從施工方面考慮，土方工程較鋼筋混凝土工程簡單、方便，工期短，且單方投資省。從工程投資方面比較，直接費用前者為258.72 萬元，后者為283.33 萬元，兩方案投資基本相近，前者投資高24.61 萬元。從施工難易及節(jié)省工程投資方面考慮，選定后者較為合理，作為水庫除險加固的壩體加高方案。同時要求設計方案在壩體土填筑時，要求其壓實度≥0.97。

2.4 壩體防浪護坡設計

根據目前西泉水庫無混凝土護坡，壩坡受風浪影響淘刷嚴重，本次設計沿上游壩坡設置混凝土防浪護坡?；炷磷o坡的長度以設計水位時水面所到達的壩段位置確定。由于工程區(qū)位于準噶爾盆地南部北天山山前沖洪積細土平原上，庫區(qū)出露地層巖性為第四系粉土、粉質土及中細砂。干砌石、漿砌石、拋石等材料匱乏，因此，護坡選用現澆混凝土?，F澆混凝土護坡在新疆嚴寒地區(qū)應用較廣泛，其防浪效果好、防滲效果強、施工工藝簡單，尤其是抗凍性較強，適合北疆嚴寒地區(qū)。為了有效地確定混凝土護坡厚度，根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》( SL274—2001) 中對護坡厚度的規(guī)定，對具有明縫的混凝土板護坡，當壩坡坡度系數m =2 ～5 時，板在浮力作用下穩(wěn)定的面板厚度可按下式計算:

式中: η 為系數，整體式大塊護面板取1.0; hp 為累積頻率為5%的波高，為簡化計算并從安全計，取最大值( 下同) hp =0.69m; b 為沿壩坡向板長，b =2.5m; ρc 為板的密度，ρc =2.3t/m3，ρω 為水的密度，ρω =1.0t/m3，Lm 為平均波長，經超高計算，Lm =1.30 m; m 為坡度系數，m =2.5。根據計算面板厚度t =3.12 cm。

另外根據《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》SL211—98 第4.1.1 和5.3.3 節(jié)規(guī)定，由于該水庫位于嚴寒區(qū)，混凝土護面厚度≥0.2 m，混凝土護坡處在受凍嚴重但有檢修條件的部位，其年凍融循環(huán)次數＜100 次，確定混凝土的抗凍等級為F200，參考同地區(qū)類似工程的經驗，確定水庫現澆混凝土板護坡厚度為15 cm。混凝土強度標號C20，抗凍標號為F200，抗?jié)B標號為W6?，F澆混凝土分塊尺寸為長×寬=3.0 m ×2.7 m，坡度為1∶2.5，板塊間分縫寬2.5 cm，錯縫布置且采用浸瀝青木板做為分縫和填縫。

2.5 大壩防滲設計

西泉水庫1958年由土墩子農場自行建設，由于壩體碾壓質量較差，壩體欠密實，壩體存在裂縫。根據工程地質勘察，壩體土干密度在1.50 ～1.58 g/cm3，在放水涵洞附近的1 +680 ～1 +850 段壩體填筑土中填筑有0.4 m厚粉細砂。由于以上諸因素的存在，造成壩體滲漏嚴重。從工程實踐情況來看，可采取壩體內垂直防滲方案或者與防浪護坡結合做上游壩坡防滲處理方案。

通過設計分析比較發(fā)現，方案一、方案二均達到壩體防滲的效果，但從施工難易程度上看，在壩體內進行垂直防滲，施工技術含量較高，施工難度相對較大。同時，由于大壩填筑不密實，如果采用壩內防滲墻施工，壩體在施工過程中會遭到更多的震動破壞;而方案二在施工過程中則不會出現此問題，施工相對較易。而方案一工程投資較方案二大。在工程施工技術條件相差無幾的情況下，設計結合現狀土壩避免震動破壞的具體情況考慮，選定方案二作為推薦方案。為做好壩體的防滲，本方案結合壩坡的防浪護坡，在護坡混凝土板防凍層下設塑膜防滲材料。該方案的壩體防滲主要依靠防滲塑膜。防滲塑膜鋪設總長度1 735 m，在現狀主壩段防浪護坡段布設。塑膜由混凝土護坡腳至設計壩頂560.50 m。

3 加固后效果分析

西泉水庫除險加固后，水庫壩體存在的質量隱患得以消除，壩頂高程達到設計要求，水庫達到復核計算庫容。水庫除險加固后的效益主要為灌溉效益、社會效益及環(huán)境效益。從國民經濟評價可知，本工程多年平均情況下的經濟效益費用比EBCR=1.12 ＞1.0( is =8%) ，且工程經濟內部回收率EIRR=8.56 ＞8%( 社會折現率) ，經濟凈現值為18.77 萬元( is =12%) ＞0。各項指標表明該工程在經濟上是可行的。

4 結 語

文章通過結合西泉水庫出現的壩后滲漏嚴重等病害情況，從壩體加高、培厚設計、壩體防浪護坡、大壩防滲等方面來提出相應的水庫加固設計措施，同時對不同的設計方案進行對比分析，選取經濟合理的設計方案方式，為同類工程提供參考借鑒。

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