粘土斜墻在松樹(shù)病險(xiǎn)水庫(kù)主壩加固中的應(yīng)用

劉 麗，付 欣，唐振華

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

松樹(shù)水庫(kù)位于遼寧省瓦房店市松樹(shù)鎮(zhèn)境內(nèi)的復(fù)州河上游段，庫(kù)址以上河道長(zhǎng)45 km，水庫(kù)控制流域面積302.4 km2。庫(kù)址距下游松樹(shù)鎮(zhèn)2 km，交通極為便利。

工程始建于1970年6月，當(dāng)時(shí)的主要任務(wù)是以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電，樞紐主要建筑物由主壩、副壩、溢洪道、引水系統(tǒng)及發(fā)電廠房組成。始建時(shí)水庫(kù)總庫(kù)容9864×104m3，為Ⅲ等工程，主體建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水為100年一遇（P=1%），校核洪水為500年一遇（P=0.2%）。主壩基本壩型為粘土心墻砂殼壩，壩頂長(zhǎng)280 m，最大壩高25.10 m；副壩壩體結(jié)構(gòu)型式同主壩，壩頂長(zhǎng)550 m，最大壩高11 m。溢洪道位于副壩左岸岸坡上。引水系統(tǒng)位于主壩左岸，分主洞和發(fā)電支洞，主洞總長(zhǎng)238.68 m，直徑2.0 m，支洞長(zhǎng) 43.5 m，直徑1.8 m，塔式進(jìn)水口底板高程92.0 m。廠房為地面式，裝機(jī)容量2×320 kW。

在1982—1987年間松樹(shù)水庫(kù)曾進(jìn)行了一次安全加固，加固后主壩為粘土心墻混合壩，長(zhǎng)303 m，壩頂高程117.71 m，最大壩高34.87 m，防滲型式在112.84 m以下為粘土心墻，以上為聚乙烯塑料薄膜防滲，薄膜下部與粘土心墻中心連接，上部與加固后的防浪墻迎水面連接，形成的坡比為1∶2.42，壩殼由粗沙（上游）、中砂及石渣（下游）組成，主壩壩頂寬5 m，漿砌石防浪墻高1.2 m，上游坡比為 1∶2.75～1∶3，下游坡比為 1.6～2.0。

2003年松樹(shù)水庫(kù)被核定為三類(lèi)病險(xiǎn)水庫(kù)。除險(xiǎn)加固后松樹(shù)水庫(kù)總庫(kù)容為1.671×108m3，為以城市供水為主、兼顧防洪的大（2）型Ⅱ等工程，除險(xiǎn)加固后樞紐主要建筑物由擋水主、副壩、泄水建筑物和輸水建筑物組成，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5000年一遇，水庫(kù)正常蓄水位111.30 m。主壩布置在復(fù)州河主河道上，基本壩型為底部粘土心墻和頂部粘土斜墻砂殼壩，壩頂長(zhǎng)304 m，最大壩高34.87 m；副壩布置在水庫(kù)西北側(cè)，基本壩型為混合壩，由板槽式混凝土心墻石渣壩及漿砌石壩組成，壩軸線為折線型，壩頂總長(zhǎng)716.04 m，最大壩高16.58 m；泄水建筑物為岸坡式溢洪道，布置在副壩左岸岸坡上，三孔泄流，溢流前緣總長(zhǎng)為29 m，挑流消能；引水系統(tǒng)位于主壩左岸，在原閘門(mén)井后7.6 m遠(yuǎn)新建一豎井式閘門(mén)井，原進(jìn)水口107.50 m高程以下結(jié)構(gòu)不變，107.50 m高程以上拆除重建。對(duì)原輸水洞進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理后，繼續(xù)利用。

2005年加固工程開(kāi)工建設(shè)，2008年12月通過(guò)竣工驗(yàn)收，投入正常運(yùn)行。工程總投資為6584.73萬(wàn)元。

2 主壩防滲體破壞現(xiàn)狀及質(zhì)量檢測(cè)

1）頂部聚乙烯塑料薄膜防滲體破壞現(xiàn)狀

此次除險(xiǎn)加固前主壩基本壩型為底部粘土心墻和頂部聚乙烯塑料薄膜防滲砂殼壩，壩頂長(zhǎng)303 m，最大壩高34.87 m。經(jīng)過(guò)20多年的運(yùn)行，質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)頂部聚乙烯塑料薄膜粘結(jié)處的510膠已全部老化，粘接強(qiáng)度大大降低，與墊層接觸處有刺破現(xiàn)象，與防浪墻粘接處也出現(xiàn)開(kāi)裂，頂部聚乙烯塑料薄膜防滲體已出現(xiàn)隱患，達(dá)不到預(yù)期的防滲效果。

2）底部粘土心墻防滲體質(zhì)量檢測(cè)

采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣的方式，檢測(cè)評(píng)價(jià)底部粘土心墻質(zhì)量。在主壩平行壩軸線方向選取4個(gè)典型斷面（0+95，0+145，0+195，0+245 m），每個(gè)斷面沿壩軸線方向，沿不同高程取樣，共取樣59個(gè)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果：1）總體施工質(zhì)量較好，但個(gè)別處不均一：0+145 m斷面，高程89.170～88.070 m處為軟土層，含水較多；局部心墻料內(nèi)有大量硅質(zhì)礫石、腐殖土。2）以0+145 m斷面土樣常規(guī)項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果為代表，粘土心墻的滲透系數(shù)k=2.11×10-8cm/s；最小抗剪強(qiáng)度c=0.50 kPa，對(duì)應(yīng)φ＝30.25°；干密度為16.3 kN/m3；不均勻系數(shù)Cu=3.07；壓縮系數(shù)0.70；心墻粘土的界限粒徑為0.017 mm，其相應(yīng)的細(xì)粒含量53.2%，而臨界含量41.1%，可判斷為流土型滲流變形。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣及試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可以看出，底部粘土心墻質(zhì)量及滲透系數(shù)均滿足要求。

3 主壩上部粘土斜墻加固設(shè)計(jì)

3.1 頂部斜墻防滲加固方案的擬定及論證

底部粘土心墻經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)滿足壩體防滲要求，只需對(duì)1982—1987年加高采用的聚乙烯塑料薄膜防滲體進(jìn)行加固處理。據(jù)此，擬定了兩個(gè)方案進(jìn)行比較。

1）方案一：粘土斜墻。

拆除1982—1987年加高形成的漿砌石防浪墻、聚乙烯塑料薄膜及其砂墊層，將原初期壩的粘土心墻頂部削成平面，鑿毛后重新鋪設(shè)水平寬度為3 m的粘土斜墻，重新修筑壩頂漿砌石防浪墻及止水，保證防浪墻間及防浪墻與心墻的可靠連接。上游從高程117.71 m至高程103 m（原上游馬道高程）的壩體邊坡由1∶2.75用碾壓級(jí)配石渣回填到1∶2.886；下游103.74 m馬道以下邊坡由1∶2.0用碾壓級(jí)配石渣回填到1∶2.5。

2）方案二：鋼筋混凝土斜墻。

拆除部分同方案一，將方案一粘土斜墻置換為0.5 m厚的鋼筋混凝土斜墻防滲體，重筑防浪墻及止水；上、下游壩坡放緩、加高培厚同方案一。

經(jīng)比較，方案一以其投資少（比方案二少139.08萬(wàn)元）、粘土防滲體適應(yīng)壩體及自身不均勻沉陷能力強(qiáng)、新老防滲體同為粘土連接方便、安全可靠等特點(diǎn)優(yōu)于方案二；且施工區(qū)在正常蓄水位以上，旱地施工，工程量不大，故加固方案選擇粘土斜墻方案。

3.2 粘土料場(chǎng)選擇及斜墻壩料設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)階段選定半拉山粘土料場(chǎng)作為粘土斜墻料場(chǎng)，施工階段征地時(shí)發(fā)現(xiàn)為國(guó)家基本農(nóng)田，無(wú)法征用。因此在壩址區(qū)域又選了胡屯和液化洼兩個(gè)料場(chǎng)，兩個(gè)粘土料場(chǎng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。兩個(gè)料場(chǎng)的技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)合壩址區(qū)實(shí)際情況，選用運(yùn)距較小的胡屯土料場(chǎng)。

表1 胡屯和液化哇粘土料場(chǎng)技術(shù)指標(biāo)比較表

粘土設(shè)計(jì)指標(biāo)：滲透系數(shù)k≤1×10-5cm/s，水溶鹽含量（按質(zhì)量計(jì)）不大于3%，有機(jī)質(zhì)含量（按質(zhì)量計(jì)）不大于2%，有較好的塑性及滲透穩(wěn)定性，浸水及失水時(shí)體積變化小。塑性指數(shù)不大于20，液限小于40%。

3.3 粘土斜墻細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加固后，主壩基本壩型為底部粘土心墻和頂部粘土斜墻砂殼壩，壩頂長(zhǎng)304.00 m，最大壩高為34.87 m，壩頂高程為117.71 m。

拆除高程112.84 m以上原工程塑料防滲體，重新鋪筑粘土斜墻防滲。新建粘土斜墻防滲體水平厚度均為3 m，斜墻上下游坡度均為1∶2.42。粘土斜墻下游側(cè)與壩體中砂料接觸部位設(shè)置一層反濾層，與壩體石渣料接觸部位設(shè)置兩層反濾層，下游側(cè)每層反濾層厚度為0.5 m；粘土斜墻上游側(cè)設(shè)兩層反濾層，總厚度為0.5 m。

粘土斜墻防滲體的設(shè)計(jì)壓實(shí)度應(yīng)大于等于最大干密度的98%。粘土斜墻的設(shè)計(jì)干容重γd≥16.0 kN/m3。粘土料填筑最優(yōu)含水率為17.5%～18.0%。

上游壩坡為二級(jí)坡 1∶2.92～1∶3.0，變坡點(diǎn)在103.00 m 高程處；下游壩坡為二級(jí)坡 1∶2.5～1∶2.0，需將高程103.74 m處馬道以下邊坡由1∶2.0放緩至1∶2.5，培厚部位壩體采用石渣填筑。在主壩左壩頭修建回車(chē)場(chǎng)。

3.4 粘土斜墻與原防滲體系的連接

新建粘土斜墻底部座在底部粘土心墻頂端部。底部粘土心墻頂高程為112.84 m，開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)心墻頂部埋設(shè)有82年加高時(shí)設(shè)置的土工膜及其錨固墩，清除修整粘土心墻頂部成平面，鑿毛后重新鋪設(shè)水平寬度為3 m的粘土斜墻。粘土斜墻底高程為109.80 m。斜墻頂部與壩頂防浪墻混凝土底座相接，形成封閉防滲系統(tǒng)。

3.5 主壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算

使用水科院編制的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序》（STAB1），采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)壩坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，滿足規(guī)范要求。

主壩邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況：正常運(yùn)用條件，即設(shè)計(jì)洪水位情況；非常運(yùn)用條件Ⅰ，校核洪水位情況；非常運(yùn)用條件Ⅱ，地震情況。

4 結(jié)語(yǔ)

1）2003年初步設(shè)計(jì)階段選用的半拉山粘土料場(chǎng)，質(zhì)量?jī)?yōu)良、儲(chǔ)量豐富，在2005年工程開(kāi)工辦理征地時(shí)，發(fā)現(xiàn)其屬于國(guó)家劃定的基本農(nóng)田區(qū)，一票否決，不能開(kāi)采。施工過(guò)程中在工程區(qū)選取胡屯粘土料場(chǎng)，粘土儲(chǔ)量和質(zhì)量均滿足要求，防滲土料料源問(wèn)題順利解決。因此工程設(shè)計(jì)方案的成立與否，料場(chǎng)的規(guī)劃、勘察及功能明確非常重要，須引起高度重視。

表2 主壩邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

2）對(duì)于病險(xiǎn)水庫(kù)大壩防滲體加固加高設(shè)計(jì)方案中，防滲體材料的選擇最好與原壩體防滲體材料一致，這樣防滲體之間的連接處理簡(jiǎn)單，防滲效果好，以及新老防滲體適應(yīng)壩體變形條件一致，對(duì)大壩安全運(yùn)行有利。

3）主壩加固所需壩體填筑料為有級(jí)配要求的砂礫料，主要用于壩坡放緩、培厚，用量不大，不足1萬(wàn)m3，綜合進(jìn)行了料場(chǎng)開(kāi)采規(guī)劃及壩料外購(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選用了壩料外購(gòu)。對(duì)于用量較少的壩體材料，能結(jié)合工程實(shí)際條件，因地制宜選用靈活的壩料外購(gòu)形式也不失為一種合理的選擇。