水庫大壩除險加固工程設(shè)計及施工技術(shù)要點分析

楊仁強(qiáng)

(貴州省遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州遵義563000)

水庫大壩除險加固工程設(shè)計及施工技術(shù)要點分析

楊仁強(qiáng)

(貴州省遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州遵義563000)

大中型除險水庫大壩在功能上無法滿足工程的正常效用，同時還要嚴(yán)格控制施工的造價，以免超出預(yù)算。此外，還同時對附近居民生活的安全性和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)問題有著不同程度的影響。所以對大中型水庫大壩進(jìn)行除險加固勢在必行。文章主要介紹了銅鼓井水庫大壩除險加固工程的設(shè)計以及后期的施工技術(shù)的一些相關(guān)問題，同時提出了一些經(jīng)驗型的解決意見以備參考。

水庫大壩;工程設(shè)計;除險加固;滲漏分析;施工導(dǎo)流;施工技術(shù)

1 工程概況

銅鼓井水庫位于湄潭縣東南的抄樂鄉(xiāng)落花村境內(nèi)。大壩座落在長江流域烏江支流跳墩河上游，壩址以上流域面積6.64 km2，(復(fù)核后)水庫總庫容90萬 m3，興利庫容65.2萬 m3，死庫容2.8萬 m3，屬小(Ⅱ)型水庫。設(shè)計灌溉面積166.6 hm2(實際灌溉面積8 hm2)。

2 水文地質(zhì)

2.1 水文地質(zhì)

測區(qū)碳酸鹽巖出露面積占總面積的70%，地下水類型有碳酸鹽巖溶裂隙水、巖基巖裂隙水兩大類。地下水靠大氣降雨補(bǔ)給，沿巖層層面、地表裂隙、落水洞、漏斗等潛入地下，賦存和運(yùn)移于巖溶裂隙、巖溶管道和溶洞內(nèi)，向地形低洼的溝谷及岸邊以裂隙泉、巖溶泉和地下暗河的型式出露。

2.2 地層巖性

測區(qū)出露寒武系牛蹄塘組(∈1n)至三迭系上統(tǒng)松子坎組(T2s)地層，其中缺失泥盆系，石炭系地層，第四系(Q)零星分布，巖性以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、泥頁巖、砂巖等。

3 滲漏分析評價

3.1 壩體及壩基肩接觸帶滲漏

壩體滲漏的主要原因是大壩在填筑時施工方法簡陋，上壩土料質(zhì)量較差，從而造成壩體填筑不密實，庫水沿薄弱環(huán)節(jié)(帶)產(chǎn)生滲漏。壩基(肩)滲漏，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查成果，庫水主要沿壩體與基巖接觸帶和強(qiáng)風(fēng)層產(chǎn)生接觸及裂溶隙性滲漏和壩體滲漏，其滲漏原因主要上清基不徹底，且筑壩時未作防滲處理，巖體風(fēng)化較嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)，施工時未清除強(qiáng)風(fēng)化層和作防滲處理，庫水沿強(qiáng)風(fēng)化層和裂隙密集帶產(chǎn)生滲漏。壩基肩滲漏存在接觸沖刷破壞問題，對大壩安全不利。

3.2 溢洪道滲漏

溢洪進(jìn)口段底板拉裂縫及伸縮縫有水呈有壓狀滲出，且有沉降錯位現(xiàn)象。溢洪道滲漏主要集中在進(jìn)口段30 m范圍內(nèi)。

3.3 放水涵洞滲漏

其原因主要是施工質(zhì)量差，壩體與洞體結(jié)合不好，夯壓不實，未做防滲等止水措施，庫水沿接觸帶產(chǎn)生接觸沖刷破壞，在一定水頭作用下?lián)舸┢鲶w勾縫而產(chǎn)生滲漏［1］。對大壩安全不利，影響水庫的正常運(yùn)行。

3.4 庫區(qū)滲漏

左岸有繞壩肩滲漏，滲漏點為W11，位于壩腳左下游，出露高程為838.95，滲流量約為1～1.2 L/s。其它未見明顯滲漏。

4 大壩除險加固設(shè)計

4.1 大壩

大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高14.00 m。壩頂高程854.21～854.67 m，壩頂寬6.4 m，壩頂長138.0 m。壩頂設(shè)有漿砌石防浪墻，高約1.1 m，墻厚約1 m，現(xiàn)有多處損毀。上游壩坡1:2.56，壩面設(shè)有簡易的干砌石護(hù)坡，經(jīng)多年沖蝕，現(xiàn)損毀嚴(yán)重;下游壩坡極不平整，壩坡為1∶2.4 ～1∶2.8;下游壩坡設(shè)有二級馬道，高程分別為851.00 m、846.10 m，馬道寬分別為6.0 m、2.5 m，第一級馬道實為當(dāng)?shù)厝罕娫趬蚊嫔祥_挖出的簡易公路，第二級馬道上布置有連接放水涵的灌溉引水渠。下游壩坡滲漏較嚴(yán)重，下游壩坡有多處集中滲漏出水點及大面積的滲漏浸潤區(qū)，隨著庫水位的升高，下游滲水點及滲漏浸潤區(qū)也隨之升高，滲漏量隨之增加。

4.2 溢洪道

溢洪道布置在大壩右岸，為岸邊開敞式，溢洪道泄水槽全長120 m，溢流堰頂高程853.50 m。溢流堰頂寬為8 m。泄槽段寬約8 m，溢洪道出口消能型式為消力池結(jié)合跌坎消能。溢洪道底板有多處開裂，庫水沿底板滲漏較嚴(yán)重。側(cè)墻為漿砌石砌體，部分出現(xiàn)塊石松落現(xiàn)象。溢洪道的轉(zhuǎn)彎過急，半徑不滿足規(guī)范要求。

4.3 放水涵洞

大壩偏左岸埋設(shè)一條砌石放水底涵，斷面尺寸為0.5 m×0.9 m，涵洞進(jìn)口設(shè)雙Φ400向轉(zhuǎn)動斜拉閘門1扇，放水涵進(jìn)口高程845.80 m，出口高程845.70 m，放水涵洞全長52.0 m。放水涵洞有滲漏及淤堵現(xiàn)象，閘門及啟閉設(shè)備存在銹蝕損壞現(xiàn)象，不能正常運(yùn)行，且存在漏水現(xiàn)象。

5 壩體結(jié)構(gòu)處理方案選擇

5.1 壩頂高程確定

5.1.1 基本參數(shù)確定

1)風(fēng)速:多年最大平均風(fēng)速9.3 m/s，正常運(yùn)用條件風(fēng)速 W =13.95 m/s;非常運(yùn)用條件 W=9.3 m/s。

2)風(fēng)區(qū)長度:根據(jù)庫區(qū)圖量測D=500 m。

3)地震:根據(jù)GB18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》和《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》版，測區(qū)地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度＜0.05 g，地震基本烈度＜Ⅵ度。

5.1.2 水庫水面風(fēng)浪爬高

5.1.2.1 計算公式

采用SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》推薦的公式:

計算成果見表1。

表1 風(fēng)浪波高、波長計算成果表

5.1.2.2 風(fēng)雍高度e

由于水庫多年平均風(fēng)速不大，計算風(fēng)區(qū)長度僅500 m，計算結(jié)果顯示e≈0，因而確定壩頂高程時該值忽略不計。

5.1.2.3 波浪爬高

計算公式為:

5.2 壩坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》銅鼓井水庫大壩為4級建筑物，其壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不小于《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》最小安全系數(shù)的要求。查《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)見表2。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

壩坡穩(wěn)定計算采用水利水電科學(xué)研究院土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序《STAB》計算。計算情況是大壩經(jīng)過除險加固后的壩坡穩(wěn)定情況，分3種工況:①正常蓄水位(853.50m)情況時的上、下游壩坡，土料抗剪強(qiáng)度計算方法采用有效應(yīng)力法［2］;②1/3壩高水位(845.67 m)情況時的上游壩坡，土料抗剪強(qiáng)度計算方法采用總應(yīng)力法;③校核洪水位(854.79m)情況時的下游壩坡，土料抗剪強(qiáng)度計算方法采用有效應(yīng)力法。

壩體材料物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)鉆探取樣試驗成果，經(jīng)綜合分析取值，壩坡穩(wěn)定計算成果見表3。

表3 壩坡穩(wěn)定計算成果表

經(jīng)計算大壩上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)在各運(yùn)行工況下均滿足規(guī)范值。故經(jīng)過本次除險加固實施后，大壩上、下游壩坡穩(wěn)定滿足設(shè)計要求。

5.3 壩體、壩基及壩肩防滲處理

根據(jù)前面所述大壩址工程地質(zhì)條件和工程滲漏現(xiàn)狀，壩基肩巖體裂隙發(fā)育，巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，壩體與基巖接觸帶及壩基強(qiáng)風(fēng)化帶透水率大，壩基巖體透水性強(qiáng)，存在壩基、壩肩接觸帶滲漏;在大壩下游壩坡、壩趾及溢洪道有5個浸潤滲漏區(qū)和12個集中滲漏點W1～W12，庫水位853.5 m(復(fù)核時水位)時，總滲漏量約為8.25～11.9 L/s。且滲漏有逐年增大的趨勢，影響大壩安全。為提高壩基肩抗?jié)B能力，應(yīng)對壩基及壩基肩接觸帶進(jìn)行防滲處理，結(jié)合壩址工程地質(zhì)條件及滲漏特點，同時大壩壩前有一定的淤積、死水位較高等因素，對大壩上游壩面采用混凝土防滲墻加土工膜防滲方案實施難度較大，經(jīng)綜合比較，本次對大壩壩基及兩壩肩采用帷幕灌漿防滲處理的防滲方案。

5.4 施工導(dǎo)流設(shè)計

本工程上游壩面護(hù)坡、放水涵洞、溢洪道等考慮在枯季的10月—次年4月份施工。放水涵洞閘門安裝、防滲處理等選擇在1～3月份進(jìn)行，施工期間導(dǎo)流方案采用圍堰和抽排水結(jié)合。施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)取P=20%，流量 Q=1.4 m3/s。

6 壩基防滲帷幕灌漿設(shè)計

6.1 防滲標(biāo)準(zhǔn)

該壩最大壩高14.0 m，屬低壩，根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》及本工程特點，防滲標(biāo)準(zhǔn)采用巖體的透水率q＜10 Lu。

6.2 帷幕邊界及孔、排距

大壩坐落在桐梓組(O1t)薄至中厚層白云質(zhì)灰?guī)r及頁巖上，壩基強(qiáng)風(fēng)化帶為強(qiáng)透水巖體，弱風(fēng)化帶為中等透水巖體，未見大的巖溶通道分布，巖溶主要表現(xiàn)為層間溶隙和溶蝕性裂隙，故本次設(shè)計兩岸接地下水位，垂向上按巖體透水率＜10 Lu控制;根據(jù)壩址工程地質(zhì)條件和其他工程類比，并結(jié)合裂隙發(fā)育情況及地下水位等確定本工程防滲帷幕的邊界條件:左右岸帷幕底界以深入基巖10～15 m為界(843.7～838.0 m高程)，河床部分帷幕底界以深入基巖15～20 m(821.3 m高程)為界。

帷幕線沿壩軸線布置，設(shè)單排孔，左岸過左壩肩后向岸坡延伸50～857.10 m高程，右岸過溢流堰坎后延伸10～858.30 m高程，壩址區(qū)巖溶、裂隙等發(fā)育程度一般，沿壩軸線方向的可灌性一般，故本次帷幕灌漿鉆孔孔距參照本區(qū)其他類似工程經(jīng)驗按2.0 m確定。帷幕線總長 256m，共設(shè)孔 129個，總進(jìn)尺2 729.53 m。

6.3 先導(dǎo)孔設(shè)計

本次設(shè)計采用設(shè)計鉆孔中的 1#、17#、65#、89#、129#孔作帷幕灌漿先導(dǎo)孔，灌漿施工時應(yīng)先鉆灌先導(dǎo)孔，并在先導(dǎo)孔內(nèi)作壓水試驗及灌漿試驗，了解灌漿的有關(guān)參數(shù)，為以后的灌漿施工提供可靠參數(shù)依據(jù)。

6.4 帷幕灌漿材料及灌漿壓力

灌漿所用水泥的強(qiáng)度等級為P.O42.5，所用水泥的細(xì)度宜為通過80 μm方孔篩的篩余量≤5%。

該壩壩高14 m，屬低壩，根據(jù)本壩的實際情況建議壩體與接觸帶灌漿壓力控制在0.08～0.15 MPa?；鶐r內(nèi)灌漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。灌漿壓力施工時根據(jù)先導(dǎo)孔灌漿試驗的基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，以不破壞壩體為原則。

7 結(jié)語

銅鼓井水庫除險加固工程社會經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，對推動當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)起到積極作用，應(yīng)盡快實施使其盡早發(fā)揮其應(yīng)有的效益。銅鼓井水庫除險加固工程實施后，可恢復(fù)灌面86.7 hm2，同時保障水庫下游人口2 000余人、3.0 km公路及約1 000 hm2耕地等人民群眾生命財產(chǎn)安全。對穩(wěn)定人心，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有較大的效益。

［1］譚界雄，位敏.我國水庫大壩病害特點及除險加固技術(shù)概述［J］.中國水利，2010(18):17-20.

［2］李端有，王志旺.水庫大壩安全管理及發(fā)展動向分析［J］.中國水利，2007(06):07-09.

TV698.23

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1007-7596(2014)06-0140-03

2013-08-09

楊仁強(qiáng)(1983-)，男，貴州遵義人，助理工程師，從事工程勘察設(shè)計與施工管理工作。