試驗場水庫大壩除險加固技術(shù)措施探究

趙 胤

(新疆水利廳頭屯河流域管理處 昌吉 831100)

1 工程概況

新疆維吾爾自治區(qū)水利廳試驗場水庫位于昌吉市東北方向20km左右，是一座以灌溉和養(yǎng)殖業(yè)為主的灌注式Ⅱ等小(1)型平原水庫，壩址區(qū)地理坐標東經(jīng)87°27'，北緯 44°07'30″。

試驗場水庫主要利用天然洼地進行蓄水，原設(shè)計正常高水位498.00m，總庫容214.43萬 m3，興利庫容158.57萬m3，死水位494.96m，死庫容55.86萬m3。壩址處海拔高程490.5m，壩頂高程499.50m，最大壩高9.0m。

壩型為均質(zhì)土壩，由主壩與副壩兩部分構(gòu)成。主壩全長為475m，最大壩高9.0m，位于原泉水溝內(nèi)，原設(shè)計上游壩坡坡比為1∶2.5，下游壩坡坡比為1∶2.5、1∶3。主壩段上游壩坡有混凝土板、干砌卵石護坡兩種形式，均外掛鉛絲網(wǎng)。上游壩坡還設(shè)有漿砌石隔墻，沿壩面自上而下設(shè)置。同時在497.0m高程設(shè)置有寬1.0m、深1.5m的漿砌石護坡阻滑體，阻滑體下部設(shè)橫向支墩。

主壩段0+215～0+400段、0+537～0+597段壩后腳設(shè)有排水體，采用天然砂礫料回填夯實而成，水平寬度至后壩腳5.0m左右。在排水體下游沿魚塘周邊還設(shè)有漿砌石防沖直墻，厚度0.5m，深度1～2m不等。

2 大壩存在的主要問題

a.壩上下游壩坡陡緩不一，壩頂高程東西壩頭不等，壩頂寬度也不滿足規(guī)范要求。經(jīng)本次除險加固勘測，壩頂起伏差在1.4m左右，壩頂高程不滿足安全超高要求;壩頂寬度大部分集中在3.5～4.0m左右，壩頂寬度不滿足規(guī)范要求;現(xiàn)狀上游壩坡坡比1∶2.5～1∶2.75，下游壩坡 1∶2.5 ～1∶3 不等，上下游壩坡陡緩不一，不滿足穩(wěn)定要求。

b.庫壩基處理不徹底，是造成壩基滲漏的主要原因之一，壩基巨厚層砂類土分布較廣，庫前壩后大部貫通，為液化砂類土。該水庫建庫初期只是對壩址區(qū)表層稀泥進行了清除，而對壩基腐殖質(zhì)層未處理，由此造成的壩基滲漏現(xiàn)象極為嚴重。經(jīng)本次實地勘察，壩體后部滲漏問題比較嚴重，僅475m長的主壩段就存在5處滲水比較明顯的地方，分別位于壩體樁號0+288、0+349、0+442、0+537、0+597 位置。而且，在滲水明顯的溢出點可見地面微微隆起及細顆粒土被帶出的現(xiàn)象，初步斷定已發(fā)生管涌現(xiàn)象。

c.壩體填筑土土質(zhì)不均一，施工碾壓質(zhì)量較差，造成壩體孔隙比值偏大，干密度值偏低，滲透穩(wěn)定性差。

d.上游壩坡及庫區(qū)右岸岸坡受風浪侵蝕嚴重。自水庫建壩以來，上游壩坡受風侵蝕的危害現(xiàn)象一直不斷。水庫壩前坡卵、漂石鉛絲籠和混凝土板，以及漿砌石阻滑墻經(jīng)多年使用，現(xiàn)已大部分失去防浪護坡作用，阻滑墻墻體現(xiàn)已大部失穩(wěn)，墻身底部靠圓木臨時支撐。

3 大壩除險加固技術(shù)措施

根據(jù)壩體存在的問題，壩體部分除險加固所采取的技術(shù)措施主要有:加高培厚、壩頂加寬、壩坡修整、護坡加固、壩體及壩基防滲、壩后排水、增設(shè)抗震措施。試驗場水庫大壩加固平面布置見圖1。

圖1 試驗場水庫大壩加固平面布置

a.0+215～0+690段恢復壩頂高程至499.65m，壩頂寬度統(tǒng)一加寬至5.0m，上、下游壩坡恢復整平為1∶2.75。壩頂及壩坡揭除厚度0.5m，并重新回填黏土夯實。黏土夯實回填要求壓實度不得低于0.96，夯實后密度不得小于16.9kN/m3。

b.沿上游壩面鋪設(shè)聚乙烯兩布一膜(200g/m2/0.5mmPE/200g/m2)，膜幅寬6.0m。土工膜上部設(shè)0.5m厚戈壁料防凍墊層，墊層外部做混凝土面板護砌。護坡混凝土面板采用現(xiàn)澆C20F200混凝土板，規(guī)格為3m×3m×0.15m，板間分縫寬度取2cm。伸縮縫表層5cm采用聚氨酯砂漿填縫，其余部分采用中密度苯板填縫。戈壁料防凍墊層相對密度要求達到0.7，設(shè)計干容重為21kN/m3，大于0.075mm顆粒的含量小于8%。同時，為保證防滲體系的完整性，混凝土面板與左右岸坡相接時，面板邊緣應(yīng)直接插入岸坡內(nèi)2.0m，邊緣厚度為0.30m，土工膜埋入底部，并從其底部繞出，開挖面采用黏土回填夯實。在鋪設(shè)土工膜時，需沿修整后的均質(zhì)土壩壩面鋪設(shè)。岸坡土工膜做法示意見圖2:

圖2 土工膜岸坡做法示意圖

為便于護坡底下的水體排出，在壩面混凝土板護坡上水平插入φ100的PVC管排水，長度0.25m，每塊面板上插4根PVC管排水，呈梅花形布置，單塊板內(nèi)最外層排水管設(shè)在距面板邊緣0.75m的位置，排水孔底部采用無紡布包裹，鐵絲綁扎，單塊無紡布面積0.35m×0.35m，孔內(nèi)填5～20mm的石子。面板分縫及排水管布置示意圖見圖3。壩面復合土工膜的物理力學性能指標應(yīng)符合下列要求:密度(ρ)不應(yīng)低于900kg/cm3;破壞拉應(yīng)力(σ)不低于12MPa;斷裂伸長率(ε)不應(yīng)低于300%;彈性模量(E)在5℃不應(yīng)低于70MPa;抗凍性(脆性溫度)不應(yīng)低于-60℃;聯(lián)結(jié)強度應(yīng)大于母材強度;撕裂強度應(yīng)大于或等于40N/mm;抗?jié)B強度應(yīng)在1.05MPa水壓下48h不透水;滲透系數(shù)應(yīng)小于10-11cm/s。土工膜的連接采用熱焊拼接，鋪放時不易過緊，應(yīng)留足夠的余幅(一般為1.5% ～3%)，以適應(yīng)拼接和氣候變化。

圖3 面板分縫及排水管布置示意圖

c.沿前壩腳做深層攪拌樁防滲，處理范圍位于壩體樁號0+215～0+667段，防滲墻最大深度12.8m，處理基底高程達到483.00m。水泥土防滲標準K≤10-6cm/s，樁徑φ≥45cm，樁距30cm，搭接長度不小于15cm，有效墻厚30cm，加固劑為425號普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1。壩面土工膜與前壩腳深層攪拌樁需進行連接，連接形式可采用以下措施:先在前壩腳澆筑深層攪拌樁，樁頂高程要比設(shè)計樁頂高程高出0.5m左右，在墻體形成后，對墻頂部進行修整、鑿毛、清理至設(shè)計高程，然后再在墻頂澆筑倒扣的“凹”槽形鋼筋混凝土蓋帽，并在蓋帽下游面預埋φ12的螺栓，螺栓位于蓋帽下游面的中部位置，水平間距0.5m，螺栓與蓋帽內(nèi)鋼筋焊接連接。然后，在蓋帽下游面設(shè)氯丁橡膠板作為土工膜的襯墊，再采用σ=10mm厚的鋼板將土工膜壓緊在橡膠板上，通過預埋螺栓固定在鋼筋混凝土蓋帽上。施工時需嚴格控制土工膜與深層攪拌樁的連接。深層攪拌樁平面布置示意圖如圖4、圖5所示。前壩腳基礎(chǔ)防滲工程共需完成深層攪拌樁總根數(shù)1508根，攪拌樁防滲總面積為 3720m2，攪拌樁總進尺為12450m。

圖4 深層攪拌樁平面布置示意圖

圖5 前壩腳深層攪拌樁立面示意圖

d.為解決壩基地震液化問題，在前壩腳已作了深層攪拌樁防滲墻的基礎(chǔ)上，沿壩后腳向下游做蓋重，經(jīng)對壩體土方開挖廢棄料方量進行測算，最后確定蓋重長度 15.0m，后坡 1∶2，頂高程 494.00m，最大高度2.5m，處理范圍為壩體樁號0+215～0+390段和0+530～0+600段，總計145m長的壩段。蓋重以壩頂及壩坡揭除后的廢棄料為填筑材料，既可避免新增水土流失量，還穩(wěn)定了壩體。蓋重回填要求對土料進行回填夯實，夯實后密度需達到16.0kN/m3。

e.根據(jù)壩體浸潤線計算結(jié)果，壩后坡浸潤線溢出點的高程為492.94m，相對于后壩腳的水平距離為3.96m，豎直距離為1.44m。同時，本區(qū)的多年平均最大凍土深度為1.4m。因此，設(shè)計在壩后腳設(shè)置貼坡反濾排水體，排水體位于壩體樁號0+215～0+390、0+530～0+600段，總長度 145m，頂高程控制在494.45m，水平寬度4.2m，最大高度2.95m。排水體與均質(zhì)土壩壩體的接觸面鋪設(shè)400g/m2的長絲無紡布作為反濾。排水體自壩體清坡后的位置開始，向下游填筑至設(shè)計后壩坡位置，然后以水平寬度4.2m的厚度順下游壩坡上升2.0m，在排水體填筑時，需在砂礫料與壩基、壩體接觸面鋪設(shè)無紡布，以起到反濾的作用。通過褥墊及貼坡相結(jié)合的排水方式，可以更有效地降低壩體內(nèi)浸潤線高度，同時對壩腳起到滲透及穩(wěn)定保護。壩后腳排水體及蓋重示意圖見圖6。

f.在上、下游壩肩設(shè)混凝土路肩石，采用預制C20F200混凝土。上游路肩石寬0.15m，高0.5m，埋入壩體0.3m。下游路肩石寬0.15m，高0.4m，距離后壩頂0.4m。

g.在壩頂鋪設(shè)20cm厚砂礫石路面，路面向下游呈2%的坡度，以利于排除壩頂積水。分兩層鋪筑，下層15cm采用混合戈壁，粒徑d≤50mm;下層碾壓完畢后，上層鋪5cm厚(粒徑d≤20mm)的混合戈壁，摻5%的黃土碾壓。壩頂布置示意圖見下頁圖7。

圖6 壩后腳排水體及蓋重示意圖

圖7 壩頂布置示意圖

4 結(jié)語

通過對試驗場水庫大壩進行除險加固，消除了試驗場水庫運行中的安全隱患，恢復了試驗場水庫的正常調(diào)蓄能力，確保了干旱年份灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的豐收，也為灌區(qū)國民經(jīng)濟的發(fā)展和水庫的綜合利用提供了最有力的保障?！?/p>

1 SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

2 SL 203—97水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

3 SL/T 225—98水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

4 SL 60—94土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.

5 SL/T 191—96水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

6 SL 189—96小型水利水電工程碾壓土石壩設(shè)計導則［S］.

7 SLT 231—98聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范［S］.