基于實(shí)例分析的大壩工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

廖航兵

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州510635)

1 工程概況

某水庫(kù)采用土石混合壩，最大壩高20 m，由于建設(shè)年代較早、缺乏后期改建或擴(kuò)建，水庫(kù)大壩的部分指標(biāo)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，并且長(zhǎng)期處于帶病運(yùn)行的不良狀態(tài)。為確保大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行，管理部門會(huì)同相關(guān)單位對(duì)大壩進(jìn)行了一次全面檢查，證實(shí)大壩目前主要存在著以下問(wèn)題:①防洪能力無(wú)法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求;②缺乏消能設(shè)施:在建設(shè)之處，大壩溢洪道下游就未設(shè)置消能防沖設(shè)施，其后也未進(jìn)行增設(shè);③坍塌與變形:壩體黏土斜墻存在局部坍塌的問(wèn)題，左壩段反濾層存在局部滲透變形問(wèn)題;④設(shè)備老化:放水涵洞進(jìn)水口的閘門啟閉機(jī)年久失修，已無(wú)法正常運(yùn)作。

參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，該水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水為50a 一遇，校核洪水應(yīng)為500 a一遇，但實(shí)地檢查結(jié)果顯示，壩頂、防浪墻高程、斷面抗滑系數(shù)(各工況條件下)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定評(píng)級(jí)B 級(jí)。同時(shí)，大壩滲流比降些許超高，滲流量較小，局部存在集中滲漏的問(wèn)題，反濾層局部存在滲透變形，大壩穩(wěn)定評(píng)級(jí)C 級(jí)。

2 除險(xiǎn)加固方案

鑒于迎水坡面的護(hù)坡塊石已經(jīng)嚴(yán)重風(fēng)化，本次出現(xiàn)加固工程需以鋼筋混凝土板或?yàn)r青護(hù)坡代替原有的塊石護(hù)坡;鑒于壩體防滲斜墻局部存在填筑壓實(shí)度、滲透性低于規(guī)范要求的情況，應(yīng)采用灌漿或復(fù)合土工膜的方式對(duì)壩體防滲斜墻進(jìn)行加固。

為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員在初期設(shè)計(jì)階段共形成了以下8 種備選方案:

方案1:進(jìn)一步提升壩頂高程，直至滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。該方案實(shí)施后，水庫(kù)上游的部分村莊將被淹沒(méi)，政策處理方面難度較高。

方案2:于壩體右肩新建溢洪道。雖然右岸山體滿足新建溢洪道的條件，但左壩肩已有溢洪道，新開(kāi)溢洪道容易帶來(lái)大壩失穩(wěn)的問(wèn)題。

方案3:將新開(kāi)溢洪道(長(zhǎng)度251.3 m)的位置選在大壩右岸公路邊埡口處，同時(shí)設(shè)置自控翻板閘門。溢洪道的泄水槽、出水渠、進(jìn)口及控制段分別為130.3 m、84 m、37 m，采取面流消能，消力池高1.8 m、長(zhǎng)32 m。

方案4:在不改變水庫(kù)正常蓄水位的同時(shí)，充分利用自控閘門的性能，在溢洪道堰體上直接開(kāi)鑿門槽，隨后沿溢洪道軸線方向安裝自控翻板閘門，閘門前布置三道移動(dòng)式攔污柵欄。

方案5:于側(cè)槽左肩山體處開(kāi)鑿正槽，同時(shí)對(duì)側(cè)槽堰頂進(jìn)行整理，提升流量系數(shù)至0.45;重建溢流壩段，新設(shè)5×5 m 閘門作為非常溢洪道。施工結(jié)束后，自由溢流堰頂前沿長(zhǎng)50 m，正、側(cè)槽分別為15 m、35 m，流量系數(shù)0.45。雖然該方案同樣涉及山體爆破施工，但范圍相對(duì)較小，在全面、充分的保護(hù)措施的支持下，壩體穩(wěn)定性就不會(huì)受到來(lái)自爆破作業(yè)的影響。

方案6:拆除左肩壩體約15 m、拆除全部側(cè)槽，新建平行于壩軸線方向的溢流堰，同時(shí)，設(shè)置6×3.5 m的閘門三扇，閘頂、底高程分別為286.9 m、283.4 m。該方案的資金需求較多，而且后續(xù)的運(yùn)行管理工作難度較高。

方案7:左肩山體開(kāi)鑿正槽前沿至23 m，同時(shí)整理堰頂。施工結(jié)束后，流量系數(shù)應(yīng)為0.407，正常蓄水位應(yīng)為286.1 m。該方案涉及山體爆破施工，而且爆破施工的范圍較大，存在著威脅壩體穩(wěn)定與安全的可能性。

方案8:將溢流堰左肩正槽段寬度增加至15 m，將側(cè)槽溢流前沿長(zhǎng)度增加至53 m，同時(shí)整理堰頂。施工結(jié)束后，側(cè)槽溢流堰堰頂高程應(yīng)為285.9 m，流量系數(shù)應(yīng)為0.502。該方案同時(shí)涉及小范圍爆破保護(hù)以及溢流堰整理，在綜合比對(duì)各方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，最終確定方案八為本次除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)方案。

3 除險(xiǎn)加固實(shí)施

3.1 工程布置與結(jié)構(gòu)型式

加固后，壩頂長(zhǎng)、寬、高程分別為65.0 m、3 m、288.1 m，設(shè)置于壩頂上游的L 型防浪墻(高1.3 m、厚30cm、墻頂高程289.4 m)采用C15 混凝土現(xiàn)澆。由于壩頂混凝土路面、下游漿砌石塊石防浪墻的風(fēng)化破損問(wèn)題非常嚴(yán)重，因此將其全部拆除，按標(biāo)高288.1 m、寬2.6 m 的規(guī)格重新澆筑C15 混凝土路面層。壩體采用土石混合壩，壩坡、護(hù)坡、防滲斜墻、下游壩坡堆石體均在本次加固范圍之內(nèi)。

鑒于上游壩坡存在著嚴(yán)重的滲漏和塌陷問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員采用了全部拆除原有壩坡干砌石再新鋪預(yù)制塊混凝土護(hù)坡(厚度10 cm)的方法，以此提高其抗沖刷的能力。以馬道為界，將上游壩坡分為上下兩段，坡比分別為1∶2、1∶2.5。砌石選擇花崗巖，塊石長(zhǎng)度0.8 ～1.2 m，短邊≥40 cm，單塊重約300 kg。堆石所用石料單塊重約100 kg，孔隙率35%，設(shè)計(jì)容重1.65 t/m3。

在查明防滲墻運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上，擬將原防滲體挖除約3 m，各滲漏點(diǎn)均接受開(kāi)挖、回填處理并夯實(shí)至開(kāi)挖線。隨后，填筑防滲斜墻至大壩設(shè)計(jì)斷面，以庫(kù)區(qū)內(nèi)的黏壤土填作為筑材料(粒徑＜2cm，礫石含量5 ～25%，土層滲透系數(shù)3.95×10－7～2.55×10－4cm/s)。反濾層底部、頂部厚度分別為1.0 m、0.6 m［1］。

3.2 泄水建筑物加固

在本次除險(xiǎn)加固工程中，設(shè)計(jì)人員為泄水建筑物制定了以下處理措施:①減少正常蓄水位至285.9 m;②對(duì)溢洪道進(jìn)行相應(yīng)處理，提升流量系數(shù)至0.502;③溢洪道正槽段向左側(cè)山體開(kāi)挖，提升溢流前沿寬度至53 m。

側(cè)槽為開(kāi)敞式，基巖以弱防滑凝灰?guī)r為主，巖體工程地質(zhì)類別為Ⅰ類，堅(jiān)硬致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整性較好，裂隙面有鐵錳質(zhì)渲染。溢洪道由三部分組成，分別為正槽段(長(zhǎng)12.66 m)、側(cè)槽段(長(zhǎng)36.05 m)、圓弧段(長(zhǎng)4.29 m)，堰型均為WES實(shí)用堰。

開(kāi)挖原溢流堰至283.4 m以下，堰身、溢流面分別采用C20 混凝土、C25 鋼筋混凝土。重新開(kāi)挖泄槽，使底坡坡降達(dá)到10.82%，底坡、邊坡護(hù)面均采用C20 混凝土(厚20 cm)。采用長(zhǎng)度8 m、直徑28 mm的隨機(jī)錨桿進(jìn)行側(cè)槽山體邊坡支護(hù)。對(duì)于泄水槽末端被裂縫貫穿的巖石，工作人員采取了全部挖除并以混凝土回填、鋼筋錨固的處理辦法，以便使消能設(shè)施恢復(fù)至原狀。采用挑流效能的方式，同時(shí)結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求得出理論計(jì)算結(jié)果，在下游河道設(shè)置沖刷坑，以便使可能存在的安全隱患得到徹底消除。

4 結(jié) 語(yǔ)

除險(xiǎn)加固處理前，水庫(kù)大壩存在著壩頂、防浪墻高程、斷面抗滑系數(shù)(各工況條件下)均無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求等一系列問(wèn)題。結(jié)合除險(xiǎn)加固工程的主要任務(wù)以及水庫(kù)大壩的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)人員在對(duì)比多項(xiàng)方案的基礎(chǔ)上最終采用了第八套設(shè)計(jì)方案，即拓寬溢流堰左肩正槽段至15 m，延長(zhǎng)側(cè)槽溢流前沿總長(zhǎng)至35 m，減少側(cè)槽溢流堰堰頂高程至285.9 m，增加流量系數(shù)至0.502。

綜上所述，本次研究針對(duì)某水庫(kù)大壩當(dāng)前存在的病害問(wèn)題，提出了相應(yīng)的除險(xiǎn)加固策略，這些策略的實(shí)施將使水庫(kù)大壩的運(yùn)營(yíng)情況得到明顯改觀，希望本次研究對(duì)于相關(guān)除險(xiǎn)加固方案的分析和討論能夠?yàn)閷?shí)際工作的有效開(kāi)展提供思路上的參考與方法上的借鑒。

［1］戴成宗.華山水庫(kù)除險(xiǎn)加固大壩計(jì)算分析［J］.黑龍江水利科技，2014，42(10):44－47.