水庫應(yīng)急水源土壩的加固設(shè)計(jì)方案分析

摘要：應(yīng)急水源能保證在發(fā)生突發(fā)事故時(shí)水庫也能正常給城市提供干凈的水源，對應(yīng)急水源土壩進(jìn)行有效的加固是保證城市供水的重要工作。本文以某市的應(yīng)急水源土壩加固設(shè)計(jì)為例，分析了該工程的現(xiàn)狀以及任務(wù)要求，闡述了大壩加固設(shè)計(jì)的方案，使用了有效且合適的材料和方法進(jìn)行加固，使應(yīng)急水源土壩更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急水源;土壩加固;壩坡穩(wěn)定;復(fù)合土工膜;防滲

隨著我國城市發(fā)展進(jìn)入了前所未有的局面，人們對水資源的需求也在日益增長，水庫的興建進(jìn)程越來越快。但是在今天水庫的安全性仍不高，容易發(fā)生污染等安全事故，因此應(yīng)急水源對于城市供水來說顯得十分重要，如何使應(yīng)急水源的壩體更加安全和牢固也成為了人們關(guān)心的問題。下面就這方面進(jìn)行討論分析。

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)狀及任務(wù)要求

某水庫壩址以上控制集水面積16.0km2。現(xiàn)狀的樞紐建筑物包括大壩（均質(zhì)土壩）、溢洪道和壩下涵管等。大壩現(xiàn)狀為均質(zhì)土壩，壩體土質(zhì)較好，為含砂低液限（粉）粘土和粉土質(zhì)砂，但不均勻，碾壓質(zhì)量和壓實(shí)較差。

水庫現(xiàn)狀正常蓄水位為156.54m，興利的庫容量為34.5萬m3。通過對中心城區(qū)近期50萬人口應(yīng)急供水需求的分析，應(yīng)急供水保證庫容為59萬m3，需增加水庫興利庫容約20萬m3。因此，正常蓄水位需由現(xiàn)狀的172.25m提高至175.25m，現(xiàn)狀大壩須進(jìn)行加固擴(kuò)建。

加固擴(kuò)建后水庫總庫容89萬m3，是一座以城市應(yīng)急供水為主，兼有城市日常供水等綜合效益水利樞紐工程。

1.2 大壩工程質(zhì)量與地質(zhì)條件評價(jià)

1.2.1 壩基地質(zhì)條件評價(jià)

壩基巖石巖性有中粗粒黑云母花崗巖、變質(zhì)砂巖和混合巖，屬中硬巖類。大壩左岸壩體填筑在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體上，右岸壩體填筑在強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖上，河床段壩體填筑在強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖與變質(zhì)砂巖上。壩基巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)弱風(fēng)化巖基均可滿足大壩承載要求，壩基穩(wěn)定。

1.2.2 原壩體填筑質(zhì)量分析

大壩填筑土料來源于壩區(qū)附近山坡上的坡殘積土，土質(zhì)以棕黃、棕紅色為主，夾灰、淺黃、灰黃色，土質(zhì)為含砂低液限（粉）粘土和粉土質(zhì)砂，干燥～濕，大部分呈可塑狀或呈稍密狀，土芯以柱狀為主，局部土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散或呈軟塑狀。

2 大壩加固設(shè)計(jì)

2.1 加固方案確定

根據(jù)安全超高計(jì)算，壩頂高程為179.00m，因此，須對大壩進(jìn)行加高培厚處理。經(jīng)方案比選，本工程加固方案為在大壩上游新加壩體，將大壩加高加厚，上游壩坡坡比1：3;下游上部壩坡削坡成1：2.5，下部增加壓坡和排水棱體。

2.2 新加壩體材料和壩體防滲設(shè)計(jì)

作為應(yīng)急供水的水源工程，本工程大壩的運(yùn)行方式和一般的土壩有所不同。一般的土壩對水庫水位的降落速度有嚴(yán)格的控制，主要是為了防止因水庫水位驟降引起大壩壩坡的失穩(wěn)。本工程水庫按照每天10萬m3的供水量，水位從正常蓄水位175.25m降落到死水位163.50m，降落的最快速度為每天3.47m，見表1。

表1 水庫水位降落速度表

為了保證水庫水位驟降時(shí)的壩坡穩(wěn)定，設(shè)計(jì)著重從控制上游新加壩體的滲透系數(shù)和加強(qiáng)防滲以降低現(xiàn)有壩體的浸潤線兩方面來考慮。

2.2.1 控制新加壩體的滲透系數(shù)

壩體浸潤線下降的速度，一般決定于庫水位下降的速度V、土壩壩體的滲透系數(shù)k以及土體的給水度u等因素，與壩體的結(jié)構(gòu)形式特別是壩體及地基上游面的排水條件也有很大關(guān)系。其中土體的給水度u表示單位體積土體在飽和含水情況下水位下降后排出的水量，又稱土體的排水孔隙率。其值大小取決于土的性質(zhì)、密實(shí)程度以及排水的時(shí)間等因素，可由實(shí)驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，經(jīng)驗(yàn)公式：u=0.117×k1/7。

根據(jù)對上游壩坡排水條件不好的均質(zhì)土壩和心墻砂殼壩的分析計(jì)算結(jié)果，可以確定：

（1）k/（uV）<0.1時(shí)為驟降，此時(shí)壩體內(nèi)滲流自由面在庫水位降落后仍保持有總水頭的90%左右，故可以近似認(rèn)為壩體浸潤線基本保持不變，這種情況對上游壩坡的穩(wěn)定最為不利，為偏于安全可以按照庫水位開始降落前穩(wěn)定滲流的浸潤線位置進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。

（2）k/（uV）>60時(shí)為緩慢下降，此時(shí)壩體自由面保持有總水頭的10%以下，已不致影響壩坡，因此一般不需要進(jìn)行不穩(wěn)定的計(jì)算。

（3）0.1

本工程庫水位下降的最快速度V為3.47m/d，k/（uV）=0.1時(shí)相應(yīng)的k=8.93×10-6cm/s，k/（uV）=60時(shí)相應(yīng)的k=1.56×10-2cm/s。因此，新加壩體的滲透系數(shù)應(yīng)大于1.56×10-2cm/s，根據(jù)附近料場的情況，本階段設(shè)計(jì)采用透水性強(qiáng)的石渣作為新加壩體的填筑材料，滲透系數(shù)大于1.56×10-2cm/s。

2.2.2 防滲設(shè)計(jì)

防滲方案選擇采用PE復(fù)合土工膜防滲。復(fù)合土工膜是一種新穎的工程材料，它是由土工織物、土工膜、土工織物三層組成，積聚了土工織物和土工膜的優(yōu)點(diǎn)，具有質(zhì)輕、防滲性能好，有較好的延展性、適應(yīng)變形、施工簡單和造價(jià)低等特點(diǎn)，是一種理想的防滲材料。

土工膜厚度根據(jù)承受水壓力、墊層土料粒徑和土工膜物理力學(xué)指標(biāo)確定，采用《土壩安全與加固》（牛運(yùn)光編著）中的公式4-9計(jì)算：

式中：δ─土工膜厚度，mm;

γ─水的容重，kN/m3;

H─鋪設(shè)薄膜范圍內(nèi)的最大水頭，m，H=26m;

d─墊層土壤最大粒徑，mm，d=50mm;

[σ]─膜的允許拉應(yīng)力，kPa，[σ]=12×103kPa;

E─薄膜的彈性模量，kPa，E=70×103kPa。

經(jīng)計(jì)算，δ=0.0019mm。參考廠家資料，選用兩布一膜的PE復(fù)合土工膜（300g/m2/PE0.5/250g/m2），其物理力學(xué)指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度19kN/m，延伸率53.6%，CBR頂破強(qiáng)度3.41kN，垂直滲透系數(shù)4.76×10-13cm/s，幅寬4.0m。由于本工程為城市供水的水源水庫，PE土工膜應(yīng)符合《食品包裝用聚乙烯成型品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB9687-88），所用原材料應(yīng)符合《食品包裝用聚乙烯樹脂衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB/T5009.58-2003，其他輔助材料應(yīng)符合相應(yīng)的國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

新加壩體沿土工膜抗滑穩(wěn)定分析，防滲體滑動(dòng)指土工膜與保護(hù)層及膜與下墊層之間的滑動(dòng)，土工膜沿墊層滑動(dòng)可通過在壩坡面設(shè)防滑鋸齒槽來解決。上游新加壩體沿土工膜滑動(dòng)需進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。當(dāng)上游新加壩體透水性良好，庫水位降落，浸潤面與庫水位同步下降時(shí)，可用《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（SL/T225-98）附錄A公式計(jì)算材料間的平面滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中：Fs─抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

W1、W2—主動(dòng)楔ABCD和被動(dòng)楔CDE的單寬重量，kN/m;

C1—沿BC面防護(hù)層（上墊層）土料與土工膜之間的粘著力，kN/m2;

φ1、φ2—內(nèi)摩擦角;

C2—防護(hù)層土料的粘聚力，kN/m2;

α、β—坡角;

L1、L2—BC和CE的長度，m。

由于上游新加壩體和防護(hù)層為透水材料，故本次計(jì)算取C1=C2=0;經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)s=2.39，滿足要求。新加壩體沿土工膜抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖見圖1。

圖1 新加壩體沿土工膜抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖

2.3 加固設(shè)計(jì)（如圖2所示）

圖2 大壩加固橫剖面圖

（1）加高后大壩壩頂高程為179.00m，壩頂寬度為5m，最大壩高26.50m，加固設(shè)計(jì)如圖2所示。

（2）上游新加壩體填筑前，先清除現(xiàn)有的塊石護(hù)坡及墊層。上游新加壩體采用透水性較好的風(fēng)化料和石渣填筑，底部最大寬度約32m，頂部寬度3m，填筑后上游坡坡比1：3。

（3）壩頂加高部分采用粘土填筑，粘土壩體底寬3m，上游坡比1：1，下游壩坡坡比1：2.1。

（4）下游壩體169.00m高程以上進(jìn)行削坡，削坡后下游壩坡坡比1：2.1。169.00m高程設(shè)2m寬的馬道，馬道以下用風(fēng)化料進(jìn)行壓坡，壓坡后下游壩坡坡比為1：3。

（5）下游壩腳加設(shè)排水棱體，棱體頂高程160.00m，寬3m，棱體下游坡比1：1.5。

（6）在上游新加壩體與老壩體及粘土壩體之間設(shè)復(fù)合土工膜防滲。復(fù)合土工膜放在整平的老壩體及粘土壩體上，復(fù)合土工膜與岸坡及壩腳采用砼齒槽相接。復(fù)合土工膜上設(shè)0.3m厚的粗砂保護(hù)層。為增加復(fù)合土工膜與壩體的抗滑性能，在原壩體上游坡面設(shè)四道抗滑齒槽，齒槽間距10m。

（7）大壩上游采用砼預(yù)制塊護(hù)坡，護(hù)坡厚度0.12m，護(hù)坡下設(shè)0.15m厚的礫石墊層和0.15m厚的砂墊層。下游壩坡采用草皮護(hù)坡。

3 結(jié)語

綜上所述，水庫的應(yīng)急水源的重要性越來越高，對于土壩的加固設(shè)計(jì)重點(diǎn)要從控制上游壩體的滲透系數(shù)和降低壩體的浸潤線來進(jìn)行思考，通過實(shí)地考察水庫的實(shí)際情況，來制定有效的加固方案，并采用高效的材料，使水庫應(yīng)急水源土壩的穩(wěn)定得到提高，創(chuàng)造更好的社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL/T225-98，水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].