水庫(kù)大壩迎水面邊坡破壞原因分析及加固措施

劉建

一、工程概述：

某水庫(kù)是一座為解決黃河斷流、凌汛、避沙峰期及農(nóng)灌期不能引水和向城市常年連續(xù)供水的矛盾而修建的調(diào)蓄水庫(kù)，庫(kù)內(nèi)面積14.422Km2總庫(kù)容1.4568億m3，圍壩長(zhǎng)14.227KM，最大壩高15.24m，壩頂高程17.24m。近年來(lái)，由于受超設(shè)計(jì)風(fēng)速影響，風(fēng)浪淘刷對(duì)部分壩段干砌石內(nèi)坡破壞嚴(yán)重，威脅水庫(kù)大壩的安全，影響了水庫(kù)的正常蓄水和送水，為了保證向城市的供水量，增強(qiáng)城市抵御干旱災(zāi)害的能力，使城市國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，必須保證水庫(kù)的安全可靠運(yùn)行。因此必須對(duì)干砌石內(nèi)坡的破壞部位進(jìn)行加固處理。

二、大壩迎水面邊坡破壞情況及原因分析：

1、大壩迎水面邊坡原設(shè)計(jì)情況：

原設(shè)計(jì)大壩迎水面邊坡采用干砌方塊石護(hù)坡，塊石厚度為30cm，砌石下設(shè)有反濾層，從壩殼起沿垂直壩坡方向由下而上依次為：中粗砂15cm；0.5～2cm碎石15cm；2～4cm碎石20cm。

2、大壩迎水面邊坡破壞情況：

水庫(kù)自建成蓄水以來(lái)，每遇大風(fēng)，迎水面邊坡都造成不同程度的破壞，特別是受春夏季東南風(fēng)和秋冬季西北風(fēng)影響，對(duì)大壩西北段和東南段砌石護(hù)坡的破壞就更加頻繁、嚴(yán)重。根據(jù)破壞時(shí)呈現(xiàn)的形式不同，可分為三種：一是水位變化區(qū)三角石數(shù)量較多，在風(fēng)浪作用下，使其產(chǎn)生淘刷、翹起、松動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，使反濾料裸露后造成破壞；二是壩坡變形，干砌石架空，下面反濾料被淘空，并已沖刷壩殼，局部深達(dá)10cm左右，這種情況是運(yùn)行和管理中不易被發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)；三是因反濾料未按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)而被淘空，壩坡形成塌坑，有的部位壩殼已被淘刷10cm以上，這種破壞有時(shí)較集中，面積較大。如1995年11月17日，一場(chǎng)風(fēng)速為25.9m/s的大風(fēng)造成東南壩段塌坑面積達(dá)1557m2。

水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)內(nèi)坡塌坑破壞情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1：

時(shí)間（年） 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996

塌坑面積（m2） 2017 2263 13045 3304 1906 12339 2180

3、大壩內(nèi)坡破壞原因分析：

原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低。水庫(kù)原設(shè)計(jì)風(fēng)速為20m/s，該水庫(kù)在這幾年的運(yùn)行中，據(jù)當(dāng)?shù)厮臋z測(cè)單位提供的風(fēng)速值顯示，最大風(fēng)速可達(dá)25.9m/s，已超出原設(shè)計(jì)值的5.9m/s，且多次超過(guò)原設(shè)計(jì)風(fēng)速值20m/s，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，以原設(shè)計(jì)風(fēng)速20m/s和實(shí)測(cè)最大風(fēng)速25.9m/s計(jì)算波浪對(duì)壩面的沖擊力，采用下式計(jì)算：

PⅠ=K1K2K3γwh

式中：PⅠ——波浪對(duì)壩坡的沖擊力，t/m2

K1——系數(shù)

K1=0.85+4.8h/λ+m（0.028-1.15h/λ）

h——浪高，m；h=0.0208V5/4D1/3

V——風(fēng)速，m/s；D——吹程，KM；

m——壩坡坡度系數(shù)，本壩m=2.5；

λ——波長(zhǎng)，λ=0.304VD1/2；

K2——系數(shù)，查表2；

K3——最大相對(duì)波壓力系數(shù)，查表3；

γw——水的容量，t/m3；

表2 系數(shù)K2

λ/h 10 15 20 25 35

K2 1 1.15 1.3 1.35 1.48

表3 最大相對(duì)液壓系數(shù)

計(jì)算波高（m） 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 ≥4

K3 3.70 2.80 2.30 2.10 1.90 1.80 1.75 1.7

經(jīng)計(jì)算，結(jié)果為：V=20m/s時(shí)，Pz=3.9t/㎡；V=25.9m/s時(shí)，Pz=4.95t/㎡。通過(guò)比較得知，最大風(fēng)速值比原設(shè)計(jì)風(fēng)速值形成的對(duì)壩坡浪壓力每平方米增大1.05t，所以，設(shè)計(jì)風(fēng)速偏低是造成內(nèi)坡破壞的原因之一。

護(hù)坡施工質(zhì)量差。設(shè)計(jì)要求的內(nèi)坡干砌石厚度為30cm，塊石兩邊接觸面的尺寸不得小于25cm，砌筑時(shí)，錯(cuò)縫豎砌，緊靠密實(shí)，塞墊穩(wěn)固。但由于任務(wù)重、工期緊，迎水面邊坡施工在14.227㎞的圍壩上全面展開(kāi)護(hù)坡砌筑施工，在施工中對(duì)塊石規(guī)格尺寸及砌筑質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，三角石數(shù)量較多，砌筑質(zhì)量也達(dá)不到有關(guān)技術(shù)要求。有的部位反濾料混摻，未按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)。經(jīng)有關(guān)部門(mén)調(diào)研認(rèn)為：水庫(kù)圍壩干砌石護(hù)坡砌筑質(zhì)量較差，塊石合格率僅為32%，砌縫合格率僅為40%左右，這是造成大壩內(nèi)坡破壞的主要原因。

三、大壩內(nèi)坡加固措施：

1、加固方案：

由于混凝土的強(qiáng)度和抗沖刷能力較強(qiáng)，采用現(xiàn)澆混凝土板進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)風(fēng)速及設(shè)計(jì)混凝土板厚確定。設(shè)計(jì)風(fēng)速值按多年最大風(fēng)速值25.9m/s的1.2倍即31.08m/s計(jì)算，經(jīng)計(jì)算混凝土板厚度t=0.15m。

混凝土原材料及配合比。水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，砂子采用經(jīng)過(guò)篩選的優(yōu)質(zhì)天然河砂，碎石粒徑1～2cm占35%，2～4cm占65%，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為200號(hào)。配合比為：水泥：砂：水（重量比）=1：2.35：4.01：0.49，水灰比為0.49；混凝土抗凍標(biāo)號(hào)為M150；抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S8；外加劑摻用量為：木朽占水泥重量的0.25%，PC—2占水泥重量的0.3/萬(wàn).

2、迎水面邊坡加固施工方案

本水庫(kù)受西北風(fēng)和東南風(fēng)影響強(qiáng)烈，造成大壩西北段和東南段內(nèi)坡破壞較為嚴(yán)重、頻繁，現(xiàn)只對(duì)東南和西北壩段破壞較為嚴(yán)重的水位變化區(qū)進(jìn)行加固。在原干砌石面上用15cm厚現(xiàn)澆200#鋼筋混凝土板進(jìn)行加固，配筋為縱橫向的冷拔絲，混凝土板沿壩坡方向長(zhǎng)10.8m，中間設(shè)一道橫向伸縮縫，水平方向每8m設(shè)一道縱向伸縮縫。為使混凝土與內(nèi)坡干砌石牢固結(jié)合，防止混凝土板下滑，在每層板的頂部和底部各拆除一行干砌石做混凝土齒墻，與混凝土板一起澆注并用長(zhǎng)的鋼筋做錨固筋，鋼筋間距2mx2m，呈梅花瓣形布設(shè)，下部插入干砌石縫中，上部澆于混凝土中，以增強(qiáng)混凝土板的抗滑力。

四、水庫(kù)大壩加固后的使用效果：

經(jīng)過(guò)對(duì)該水庫(kù)大壩的加固處理，保證了水庫(kù)的正常蓄水和送水，保證了該水庫(kù)向城市的供水量，增強(qiáng)了城市抵御干旱災(zāi)害的能力，從而使城市國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展。