淺談小型水庫土石壩大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

李丕清　王永德

【摘 要】結(jié)合紅星水庫病險(xiǎn)水庫工程大壩的缺陷和隱患，分析了小型水庫土石壩除險(xiǎn)加固的原則，加固設(shè)計(jì)的原理及方法，并提出了適宜該工程的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】水庫大壩；除險(xiǎn)；加固

1.設(shè)計(jì)依據(jù)

南華縣紅星水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵洞等建筑物組成。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）規(guī)定，樞紐工程為Ⅴ等，主要建筑物為5級，次要建筑物為5級。樞紐工程洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇（P=5.0%）洪水設(shè)計(jì)，200年一遇（P=0.5%）洪水校核，消能防沖設(shè)施洪水標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇（P=10%）設(shè)計(jì)。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），紅星水庫地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97）規(guī)定，本工程地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

2.工程總體布置

現(xiàn)樞紐工程主要由大壩、溢洪道和輸水涵洞組成。本次除險(xiǎn)加固對大壩、輸水涵洞等建筑物在原工程布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固處理。溢洪道結(jié)構(gòu)完好，由調(diào)洪計(jì)算可知紅星水庫保持原有調(diào)度方案（空庫度汛），可滿足200年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，因此本次加固可不對溢洪道進(jìn)行擴(kuò)建。

經(jīng)地勘查明，庫區(qū)、壩址區(qū)無不良地質(zhì)體存在、庫岸穩(wěn)定，針對地質(zhì)勘探及安全鑒定揭露出來的工程病害，本著技術(shù)與實(shí)際相結(jié)合的原則及本次除險(xiǎn)加固的資金情況，以大壩穩(wěn)定和輸水涵洞加固為主，并對現(xiàn)有輸泄水建筑物進(jìn)行加固、除險(xiǎn)等工程處理，故本次除險(xiǎn)加固推薦方案的工程項(xiàng)目為：

（1）將壩體加高0.4m，壩頂寬設(shè)為7m，在壩頂面兩側(cè)設(shè)置路肩石，路面采用泥結(jié)石路面厚30cm，下設(shè)10cm碎石墊層。大壩下游壩坡削緩，下游壩1993.54至1985.54高程放緩為1：2.0，1985.54至1972.71高程放緩為1：2.5。下游壩坡填筑前需進(jìn)行清理，清理厚度0.2-0.5m。新老壩體間的結(jié)合部采用中細(xì)砂做過渡層后再進(jìn)行風(fēng)化料培厚碾壓回填，壓實(shí)度大于97%，新建棱體排水。

（2）結(jié)合已鋪設(shè)的上游防浪石將上游護(hù)坡從1992.04鋪設(shè)至壩頂。

（3）封堵原有輸水涵洞，在水庫右岸新建輸水隧洞及豎井。

（4）更換溢洪道閘門及啟閉設(shè)施。

（5）完善觀測設(shè)施及管理設(shè)施。

3.大壩現(xiàn)狀情況

3.1設(shè)計(jì)基本資料

3.1.1水文、水利

根據(jù)水文水利分析計(jì)算，紅星水庫總庫容44.2萬m3（本次復(fù)核值），調(diào)洪演算成果為設(shè)計(jì)洪水1991.32m，校核洪水位1993.11m，正常蓄水位1991.54m，汛前限制水位1978.2（死水位）。

3.1.2大壩壩體、壩基地質(zhì)情況

大壩壩型為均質(zhì)土壩，筑壩土料按就近取材的原則取料，成分為第四系殘坡積層及砂泥巖的全—強(qiáng)風(fēng)化物。據(jù)本次探坑資料，壩體土料主要為褐黃色、褐紅色粉質(zhì)粘土、含角礫粘土。

3.2大壩現(xiàn)狀分析

根據(jù)地勘提供的壩址地質(zhì)剖面和各層基礎(chǔ)物理力學(xué)指標(biāo)及水文分析計(jì)算成果進(jìn)行滲流計(jì)算，壩體土料滲透系數(shù)采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成果，計(jì)算滲透流量時(shí)土層滲透系數(shù)采用大值平均值，計(jì)算水位降落時(shí)的浸潤線采用小值平均值，設(shè)計(jì)采用的大壩滲流計(jì)算參數(shù)見表3-1。

表3-1 大壩滲流計(jì)算參數(shù)表

壩體材料各參數(shù)采用地勘提供的建議值，各種材料的力學(xué)指標(biāo)采用情況見表3-2。

表3-2 壩體材料主要物理力學(xué)計(jì)算指標(biāo)

根據(jù)地質(zhì)資料，壩基全風(fēng)化基巖J允基=0.6～0.7，不易產(chǎn)生滲透變形破壞。但是壩基為強(qiáng)、弱風(fēng)化泥巖，透水率（q）屬中等-弱透水層，存在一定的壩基滲漏問題。壩基雖不易產(chǎn)生滲透變形破壞，但是存在滲漏的可能。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》壩體土滲透變形判別，滲透變形類型為流土。流土型臨界水力坡降計(jì)算公式為Jcr=（Gs-1）（1-n）=（1.85-1）（1-0.418）=0.495

式中：Jcr——土的臨界水力坡降；

Gs——土顆粒密度與水的密度之比

n——土的孔隙率（%）

根據(jù)工程級別，取安全系數(shù)K（1.5-2.0），取1.5，故J允壩=0.495/1.5=0.33。

3.3大壩滲流穩(wěn)定復(fù)核

3.3.1滲流穩(wěn)定復(fù)核

滲透量按有限透水地基上的均質(zhì)土壩分段計(jì)算。滲透變形破壞的發(fā)生，不僅取決于水力坡降，而且與土的不均勻系數(shù)，土粒粒徑和級配、密度、滲透性能有關(guān)。紅星水庫大壩壩體（均質(zhì)防滲體）土料為低液限粘土，土料顆粒大部分為細(xì)粒粘粒，其可能的滲透破壞形式為流土，根據(jù)《水利工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287-99錄M.0.3流土臨界水力比降計(jì)算公式。據(jù)本次地質(zhì)資料和現(xiàn)場勘察看，壩體可能的滲透破壞為流土，壩基接觸面允許水力坡降與壩體區(qū)允許水力坡降取相同標(biāo)準(zhǔn)。

壩體土料物理力學(xué)指標(biāo)成果分析計(jì)算臨界水力比降，公式：

Jcr=（Gs-1）（1-N）

式中：Jcr—土的臨界水力比降

Gs—土的比重

N—土的孔隙率（%）

壩土：Jcr= （1.85-1）（1-0.418） =0.495

壩基：Jcr=0.65 （參考本次地質(zhì)資料）

根據(jù)工程級別，確定相應(yīng)的安全系數(shù)為1.5，求出允許水力坡降J允，結(jié)合滲流計(jì)算水力坡降計(jì)算值J實(shí)，進(jìn)行滲透穩(wěn)定判別。滲透穩(wěn)定分析見表3-3。

表3-3 滲流計(jì)算關(guān)鍵部位滲流要素統(tǒng)計(jì)表

注：校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位均漫壩

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果，在正常水位下壩體及壩基（計(jì)算深度8m）每晝夜單寬滲漏量合計(jì)為3.23m3/d.m，大壩壩體、壩基每年滲漏總量為3.55萬m3。占設(shè)計(jì)總庫容44.2萬m3的8.04%。

滲流計(jì)算有限元模型圖

正常蓄水位流線與等壓線圖

正常蓄水位可能發(fā)生滲透破壞位置圖：（與實(shí)測情況基本符合）

3.3.2壩體防滲方案

本次針對壩體浸潤線過高和下游壩坡逸出點(diǎn)滲透坡降過大的問題，采取在下游壩坡增加排水棱體的措施就行加固。采用排水棱體可以起到濾土排水的作用有效避免高水位時(shí)可能產(chǎn)生流土型破壞。排水棱體可以起到穩(wěn)定下游回填風(fēng)化料的作用，同時(shí)下游回填風(fēng)化料可以起到增加下游壩坡蓋重的作用，二者起到相互支持的作用。

4.大壩壩坡抗滑穩(wěn)定分析

4.1基本參數(shù)的確定

根據(jù)地質(zhì)建議值，壩土、壩基土抗剪強(qiáng)度綜合分析選定土料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)計(jì)算值見表3-4。

表3-4 壩體及壩基土的土料物理力學(xué)指標(biāo)

4.2穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算斷面：據(jù)大壩目前現(xiàn)狀，地質(zhì)探坑的試驗(yàn)成果，并結(jié)合回填壩料的組成、施工碾壓質(zhì)量等，采用大壩壩體實(shí)測最大橫斷面作為壩體穩(wěn)定計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)斷面。

計(jì)算方法和計(jì)算軟件：大壩穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001），原壩體上游壩坡穩(wěn)定分析工況為穩(wěn)定滲流期和庫水位降落期的各種工況，下游壩坡穩(wěn)定分析工況為穩(wěn)定滲流期的各種工況。壩體穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算采用簡化畢肖普法，地震作用力按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，滑弧土體的地震荷載按擬靜力法考慮，在土條上直接作用其地震慣性力只考慮順河流方向的地震作用。邊坡抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算采用采用中國水利水電科學(xué)研究院陳祖煜教授編制的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2005》。按表3-2指標(biāo)，各種工況穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表3-5。

表3-5 原壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果表

4.3大壩抗滑穩(wěn)定評價(jià)

從表3-3各種工況上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，下游壩坡不能滿足規(guī)范要求，因此，本次設(shè)計(jì)主要對下游壩坡進(jìn)行進(jìn)行加固處理，對上游壩坡進(jìn)行局部維修處理。

4.4大壩加固除險(xiǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)安全鑒定結(jié)論及本次復(fù)核結(jié)果，針對大壩現(xiàn)存主要病害，大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)如下：

4.4.1壩頂高程

紅星水庫壩頂高程經(jīng)復(fù)核取為1993.94，在原有壩頂高1993.54的基礎(chǔ)上加高0.4m，壩頂寬為7m。

4.4.2壩軸線

本次將對壩體下游面進(jìn)行少量削坡，削坡后壩頂寬度變?yōu)?m，壩軸線向上游移動(dòng)，移動(dòng)后的壩軸線距離上游面3.5m，壩軸線長度不變?yōu)?9.8m。

4.4.3壩頂寬度

因壩頂有交通要求，實(shí)測壩頂寬度為8.4m左右，由于下游壩坡要從壩頂部開始修整，壩頂寬度整修為7.0m，與現(xiàn)狀道路寬度相當(dāng)，壩頂采用泥結(jié)石路面（結(jié)構(gòu)為碎石墊層10cm、泥結(jié)石路面30cm）。

4.4.4壩坡

上游壩坡按坡比1：2.5不做調(diào)整，從1992.04高程至壩頂段無砌石護(hù)坡，鋪設(shè)前線進(jìn)行壩面清理平整，然后依次鋪10cm粗砂、10cm碎石及30cm塊石。

下游壩坡進(jìn)行放緩調(diào)整，從1993.54至1985.54段壩坡放緩為1：2.0，在1985.54處設(shè)置1.5m寬馬道，從1985.54至1972.71段壩坡放緩為1：2.5，1972.71以下設(shè)置棱體排水?；靥畈糠滞亮锨埃掠螇纹绿钪靶柽M(jìn)行清理，清理厚度0.2-0.5m，壩坡放緩填筑時(shí)新老壩體間用20cm作過渡層。

4.4.5棱體排水體

下游壩腳新建倒濾體，倒濾體頂高程1972.71m，底高程1968.71m，頂寬2m，內(nèi)坡比1：1.0，外坡比1：1.5，倒濾體外腳設(shè)梯形排水溝。

4.4.6排水溝

本次加固在大壩下游壩體與岸坡交接處、馬道內(nèi)側(cè)、棱體排水體底部設(shè)置排水溝，排水溝斷面及建筑材料詳見附圖。

4.4.7大壩加固后壩坡穩(wěn)定復(fù)核

①土料物理力學(xué)指標(biāo)的擬定。

大壩加固培厚所用風(fēng)化料來源于庫區(qū)，根據(jù)地質(zhì)工作的成果，地質(zhì)建議采用的風(fēng)化料物理力學(xué)指標(biāo)為：最大干密度1.91g/cm3、最優(yōu)含水量17.2%、比重2.79、滲透系數(shù)3.81×10-4cm/s、內(nèi)摩擦角19.60、粘聚力39.2kpa。

②計(jì)算成果。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001的規(guī)定和大壩除險(xiǎn)加固的設(shè)計(jì)斷面以及上壩材料物理力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)行加固斷面的壩坡穩(wěn)定分析，其成果均滿足規(guī)范要求，詳見表3-6。

表3-6 加固后大壩壩坡穩(wěn)定分析成果表

從大壩抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算結(jié)果可知：經(jīng)大壩除險(xiǎn)加固工程處理措施后，大壩上、下游壩坡各種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。

5.結(jié)論

通過分析該工程的隱患所在，依據(jù)規(guī)范對大壩壩坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定行了壩體尺寸的重新設(shè)計(jì)，并采用碾壓試驗(yàn)等方法確定各項(xiàng)施工填筑參數(shù)，在迎水坡工程、背水坡工程、壩頂工程施工中嚴(yán)格按施工填筑參數(shù)控制壓實(shí)質(zhì)量、鋪筑厚度、材質(zhì)級配等各項(xiàng)指標(biāo)。工程加固后至今運(yùn)行良好，故實(shí)踐證明其所采取的除險(xiǎn)加固措施取得了較好效果，值得推廣。 [科]