實(shí)例探析大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

楊 田

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽550002)

1 工程概況

鄧家溝水庫大壩為漿砌石拱壩，最大壩高28.5 m，總庫容129萬m3。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—94)及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)有關(guān)規(guī)定:水庫為小(1)型水利工程，工程等別Ⅳ等，主要建筑物大壩、溢洪道為4 級建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30 a 一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用300 a一遇;次要建筑物為5 級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 a一遇;泄水建筑物消能防沖的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇設(shè)計(jì)，并應(yīng)考慮低于設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)可能出現(xiàn)的不利情況，保證工程安全和正常運(yùn)行。

2 方案比選

根據(jù)工程存在的主要問題及大壩安全鑒定結(jié)論，大壩抗洪能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全、滲流安全均不滿足規(guī)范要求，其中抗洪能力是因溢洪道寬度或高度不夠;結(jié)構(gòu)安全主要體現(xiàn)在左右壩肩重力墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，壩體及重力墩的應(yīng)力復(fù)核是滿足規(guī)范要求的;滲流安全主要是河床段壩體與基巖接觸帶存在著滲漏現(xiàn)象，右壩肩存在繞壩滲漏現(xiàn)象，右拱端與重力墩結(jié)合部位有一貫穿性裂縫，縫寬約2 mm，壩身局部有滲漏痕跡。對于已建壩來說，解決大壩泄洪安全問題是影響工程樞紐布置或結(jié)構(gòu)改變的關(guān)鍵因素，重力墩的穩(wěn)定問題只需進(jìn)行加固處理，滲流安全主要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、固結(jié)和帷幕灌漿處理［1］。根據(jù)工程實(shí)際情況，為了保證工程效益，水庫正常蓄水位903.44 m不變，同時降低堰頂高程(903.44 m)考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)閘方案也不現(xiàn)實(shí)，故在維持正常蓄水位及堰頂高程的情況下進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算，初步擬定以下兩個方案進(jìn)行比較。

1)方案一:壩頂高程不變，抬高交通橋增加溢洪道進(jìn)口高度。根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，水庫校核洪水位905.77 m，設(shè)計(jì)洪水位905.14 m，正常蓄水位903.44 m，目前壩頂高程905.08 m，防浪墻頂高程906.18 m，因此根據(jù)現(xiàn)狀，只需改造防浪墻，同時將溢洪道交通橋抬高即可。根據(jù)調(diào)洪計(jì)算成果，以及水庫吹程D =1.0 km，按官廳水庫經(jīng)驗(yàn)公式，由風(fēng)速計(jì)算超高進(jìn)而確定防浪墻頂高程，校核、正常工況下計(jì)算的墻頂高程分別為906.44 m、904.46 m，選定非溢流壩段上游防浪墻頂高程由校核洪水位控制為906.44 m。為滿足堰上最大凈水頭，壩頂交通橋底高程至少應(yīng)為905.77 m，橋的底梁高0.6 m，從而滿足泄洪要求的溢流段交通橋面高程為906.37 m，與計(jì)算的防浪墻頂高程僅相差0.07 m，因此將交通橋頂高程和防浪墻頂高程統(tǒng)一定為906.44 m。

2)方案二:加寬溢洪道方案。在該方案中首先考慮了保持現(xiàn)狀壩頂高程不變，受壩頂交通橋的影響，堰上最大水頭為1.34 m，經(jīng)調(diào)洪反算，需溢流凈寬達(dá)40 m，則加寬溢洪道凈寬22 m。結(jié)合大壩壩型特點(diǎn)，考慮擴(kuò)寬壩頂溢洪道，下游河床寬約20 m，如果再擴(kuò)寬22 m，則洪水必然沖刷壩肩，同時拆除22 m老壩體，對原壩體結(jié)構(gòu)改變較大，再在狹窄的砌石壩體上新建溢流堰及壩頂交通橋也極不經(jīng)濟(jì)，故純加寬溢洪道方案也不可行，只有考慮適當(dāng)加寬溢洪道并加高壩體的方案［2］。

方案一與方案二相比，方案二要拆除原壩體并新建溢流堰，拆除難度大，施工稍有不慎，就將破壞大壩結(jié)構(gòu)完整性，而新老堰體的結(jié)合也較難處理，從施工、技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合考慮，推薦方案一壩頂高程不變，抬高交通橋增加溢洪道進(jìn)口高度的方案。

3 整治方案

整治方案具體設(shè)計(jì)為:先拆除現(xiàn)有壩頂上游防浪墻，再對現(xiàn)壩頂進(jìn)行鑿毛并清洗，然后新建C20 鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程906.44 m;拆除溢洪道交通橋，采用C15 一級配混凝土砌料石加高橋墩，再新建交通橋，下游進(jìn)行消能防沖護(hù)坦及邊坡處理;對于右壩段貫穿性裂縫采用開槽埋管法進(jìn)行化學(xué)灌漿處理;兩岸重力墩一起加高至防浪墻頂高程906.44 m，對右壩肩重力墩基礎(chǔ)先進(jìn)行固結(jié)灌漿然后再加高;壩基進(jìn)行防滲帷幕灌漿，壩體段灌漿孔從下游墊座打斜孔，深入帷幕灌漿下限，兩岸垂直打孔灌漿;壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿從壩下游面滲水點(diǎn)處采用反壓灌漿方式，對右岸單薄山體進(jìn)行固結(jié)灌漿，加強(qiáng)上部強(qiáng)風(fēng)化巖體的強(qiáng)度及自身穩(wěn)定［3］。

大壩防浪墻頂高程的確定、右壩段貫穿性裂縫處理、重力墩的加固措施和壩身補(bǔ)強(qiáng)灌漿如下:

3.1 防浪墻頂高程

根據(jù)選定推薦方案，按《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25—2006)，防浪墻頂高程計(jì)算類似壩頂高程計(jì)算，等于水庫靜水位加上相應(yīng)超高，按下列兩種情況計(jì)算，取其較大值:

1)正常畜水位+正常運(yùn)用情況的安全超高

2)校核洪水位+非常運(yùn)用情況的安全超高

墻頂超高計(jì)算公式:

式中:hb為波浪高，m;ν0為計(jì)算風(fēng)速，m/s，正常畜水位時:ν0=15 m/s，校核洪水位時:ν0=10 m/s;D為計(jì)算吹程，m;D =1000 m;He為壩前水深，m，正常畜水位時:He=22.44 m，校核洪水位時:He=24.72 m;h0為波浪中心線至正?；蛐：撕樗坏母卟睿琺;Hc為安全超高，m，按SL25—2006 中表9.1.1規(guī)定，正常運(yùn)用情況取0.4，非常運(yùn)用情況取0.3。

墻頂高程計(jì)算成果見表1。由校核洪水位控制墻頂高程，根據(jù)計(jì)算，防浪墻頂高程定為906.44 m，下游設(shè)欄桿。建基面高程為876.58 m，最大壩高28.5 m(含墊層)。

表1 砌石拱壩防浪墻頂高程計(jì)算成果表 m

3.2 右壩段貫穿性裂縫處理

距大壩右壩肩拱端與重力墩結(jié)合部位約7.5 m處有一貫穿壩體上下游的裂縫，縫寬約0.2 cm，裂縫處壩基巖石為:奧陶系上統(tǒng)五峰組第二段(O3w2)灰色中厚層弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，厚5 m，弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r承載力較高，據(jù)該水庫管理所人員介紹，裂縫產(chǎn)生于水庫建成后第二年冬季，當(dāng)年冬季氣溫驟降，此后就發(fā)現(xiàn)了該裂縫，經(jīng)現(xiàn)場仔細(xì)察看，裂縫未延伸入下部重力墩，裂縫附近壩體及重力墩亦無異常情況，因此裂縫由于地基變形引起的可能性小，推測該裂縫屬溫度裂縫。裂縫位置及寬度示意圖見圖1。

圖1 右壩段貫穿性裂縫下游示意圖

裂縫采用開槽埋管法進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，即在表面沿裂縫走向開燕尾槽，將槽清洗后，采用快速水泥封堵以阻止灌漿時漿液外漏。裂縫灌漿順序應(yīng)由下而上循序漸進(jìn)逐嘴灌入，灌漿壓力應(yīng)視裂縫粗細(xì)而異，為0.15 ～0.2 MPa。灌漿前將漿液倒入灌漿罐后，蓋上進(jìn)料口并擰緊，檢查各管路接頭，打開貯氣罐出氣閥，借助壓縮空氣把漿液頂入輸漿管，再通過嘴子壓入縫隙內(nèi)。待鄰近的嘴子冒漿后，隨即用塞子堵上，然后卡住輸漿管并拔離嘴子，將此灌漿嘴用塞子堵上，把輸漿管換插到原已冒漿的嘴子，放松輸漿管繼續(xù)灌漿，如此逐孔灌漿，直至整條裂縫灌滿為止。

3.3 重力墩的進(jìn)一步加固措施

經(jīng)計(jì)算分析，左岸重力墩隨防浪墻加高到906.44 m高程后仍達(dá)不到穩(wěn)定要求，根據(jù)地形地質(zhì)情況，采用將重力墩向壩軸線方向加長3 m，寬度為6.6 m，其中下游1.6 m寬作為下到壩后踏步的平臺，加高墩體基礎(chǔ)高程為900.58 m，基巖巖性較硬為O2b灰?guī)r，開挖至弱風(fēng)化上部巖體。對于右岸重力墩的加固措施，考慮了在墩體上打抗滑樁(方案一)和加高加厚墩體(方案二)兩種方案。

1)對于方案一，墩體上抗滑樁孔口尺寸不宜過大，因此選擇直徑D =110 mm的圓形C25 鋼筋混凝土抗滑樁，中心布置一根Ф28 鋼筋，單樁長16.5 m，經(jīng)過計(jì)算，右岸重力墩達(dá)到規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)時，需布置100 根抗滑樁。在右岸重力墩上開孔較多，必然對重力墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，而且重力墩目前如果已發(fā)生位移，現(xiàn)在再打抗滑樁效果也不明顯，同時抗滑樁投資相對較大，投資為58.7萬。

2)對于方案二，右岸重力墩原上游898.28 ～899.92 m高程有一寬2.5 m的平臺，下游898.5 m高程有一寬3 m的平臺，將上下游平臺加高至防浪墻頂高程，并與原踏步銜接，加寬后的重力墩頂寬12.85 m。新增重力墩材料采用C10 混凝土砌塊石，新老墩體接觸面須鑿毛沖洗，側(cè)面布置Φ25 插筋，間排距2 m，加強(qiáng)新老砌石體的結(jié)合。加高部分重力墩兩岸延伸至基巖面，重力墩基礎(chǔ)需進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

方案一與方案二相比，從施工難度、對重力墩結(jié)構(gòu)的影響以及效果來看，方案二都優(yōu)于方案一，并且方案一比方案二投資還多20萬，因此右岸重力墩的加固推薦方案二。

3.4 壩身補(bǔ)強(qiáng)灌漿

大壩局部有滲水，右壩肩有貫穿性裂縫，壩體強(qiáng)度有所降低，壩體需采用補(bǔ)強(qiáng)灌漿。壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿從壩下游面滲水點(diǎn)處采用反壓灌漿方式處理。灌漿材料采用≥P. O42.5 的水泥，一般采用純水泥漿，漿液濃度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定，一般應(yīng)由稀到濃，逐級變換，并嚴(yán)格按《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL62—94)要求執(zhí)行。

4 結(jié) 語

綜上所述，并從施工、技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合考慮，推薦方案一壩頂高程不變，抬高交通橋增加溢洪道進(jìn)口高度的方案。在大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格按照上述整治方案進(jìn)行施工，保證大壩的安全與穩(wěn)定。

［1］張全意. 赤水市蕨基壩水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］. 貴州水力發(fā)電，2003，17(02):46 －49.

［2］王小毛，徐麟祥，廖仁強(qiáng). 三峽工程大壩設(shè)計(jì)［J］. 中國工程科學(xué)，2011(07):70 －77.

［3］葉成林. 高埔水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)［J］. 廣東水利水電，2006(04):51 －52.