小型水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)分析

胡榮欣

(遼寧省水利廳，沈陽110000)

1 工程概況

某小(2)型水庫以蓄水灌溉為主，兼顧防洪任務(wù)，農(nóng)田灌溉供水為當(dāng)前水庫的主要工程任務(wù)。水庫樞紐由大壩、溢洪道及放水設(shè)施三部分組成。大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩頂高程606.50m，壩底高程591.075m，最大壩高15.43m，壩頂寬3m，壩長95 m;上游壩坡坡比由上至下依次為1∶1.86、1∶2.16、1∶3.2、1∶2，采用干砌石護(hù)坡，下游壩坡坡比由上至下依次為1∶1.42、1∶1.54、1∶2.8;溢洪道位于大壩右岸，正堰開敞式;放水設(shè)施采用臥管放水，由壩前以涵管至大壩中部接放水洞，放水洞為漿砌石矩形涵洞。

水庫原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇洪水設(shè)計(jì)，50 a一遇洪水校核，設(shè)計(jì)總庫容23 萬m3，興利庫容12 萬m3，滯洪庫容5 萬m3，死庫容6 萬m3。后經(jīng)大壩安全鑒定，大壩為小(2)型三類病險(xiǎn)水庫。經(jīng)復(fù)核，水庫為Ⅴ等工程，主要建筑物為5 級(jí)，次要建筑物5 級(jí)。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。由于水庫運(yùn)行一直處于病險(xiǎn)狀態(tài)，時(shí)刻威脅著下游村莊及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造

壩址所處河谷斷面為“U”型。兩岸山峰陡立，山峰海拔高程在500m 以上，為中低山侵蝕型河谷地貌。庫區(qū)兩岸，地形較陡，坡度在40°～60°之間，巖石裸露，巖性為云母石英片巖，河床覆蓋層為含漂礫的砂卵石。

1)右岸壩肩的岸坡較緩，表面有坡積層，基巖較破碎，風(fēng)化層厚度為5 ～20m，節(jié)理裂隙發(fā)育，無較大斷裂和破碎帶，裂隙與岸坡方向一致，產(chǎn)狀為10°～15°∠30°～60°。大理巖夾層厚度20 ～50 cm，石英脈厚度20 ～30 cm。

2)左岸壩肩為陡坡，坡度為30°～50°，背壩一側(cè)的地形坡度約為45°，片巖產(chǎn)狀為10°∠32°，節(jié)理裂隙發(fā)育，無較大斷裂和破碎帶，裂隙與岸坡方向一致，裂隙產(chǎn)狀為8°～15°∠30°～40°。

2.2 壩址處地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，按場地地層的成因時(shí)代及物理力學(xué)性質(zhì)分層描述如下:

①素填土(Q4ml):黃褐色，成分以粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)較均，含有少量碎石，結(jié)構(gòu)緊密，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)平均值11.3 擊，呈稍密狀態(tài)，天然含水量平均值為24.92%，濕密度平均值為1.893g/cm3，干密度平均值為1.516g/cm3，液性指數(shù)平均值為0.38，可塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)為0.48，屬中壓縮性土。滲透系數(shù)K=4.52×10－5cm/s，屬于弱透水性。容許承載力［σo］=135kPa。

2.3 壩體填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)水庫大壩安全綜合評(píng)價(jià)報(bào)告鑒定結(jié)果，大壩填筑質(zhì)量為［1－3］:

1)大壩填筑土料以粉質(zhì)黏土為主，填筑干密度為14.1 ～16.9 kN/m3，平均干密度為15.6 kN/m3，壓實(shí)度83.4%～100%，平均壓實(shí)度92.3%，壩體填筑土壓實(shí)度的合格率為36.4%，壩體填筑土碾壓質(zhì)量達(dá)不到《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—20001)要求標(biāo)準(zhǔn)，大壩填筑質(zhì)量差。

2)壩體填筑土的滲透系數(shù)K=5.42×10－5cm/s，＜1×10－4cm/s 規(guī)范規(guī)定值;壩體滲流穩(wěn)定滿足要求，但壩基存在滲漏問題;下游壩坡安全系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定值，壩體穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。

3)大壩壩頂高程及寬度不滿足規(guī)范要求。

4)壩體填筑土天然含水量在19.8%～27.8%，天然含水量平均值為24.92%;飽和度在72.6%～98.2%，飽和度平均值為89.39%;干容重在14.1 ～16.1 kN/m3，干容重平均值為15.16 kN/m3;滲透系數(shù)K=5.42×10－5cm/s。干容重試驗(yàn)結(jié)果，最大與最小干密度差值為2.0KN/m3，說明壩體碾壓不均勻。

3 大壩加固措施

根據(jù)地勘報(bào)告及大壩安全鑒定結(jié)果，目前水庫大壩存在的主要安全隱患有:

1)壩頂寬度不夠，后壩坡較陡，無坡面排水溝，無排水棱體。

2)壩體填筑質(zhì)量較差，壩基滲漏，左右壩肩滲漏。

3)大壩背水坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)不到規(guī)范要求。

4)溢洪道上方為強(qiáng)風(fēng)化山體，易發(fā)生塌方，威脅溢洪道正常運(yùn)行。

5)溢洪道過洪能力不足，溢洪道泄槽段底板無襯砌;放水洞淤積、裂縫。

6)大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目不健全，通訊設(shè)備陳舊，無防汛預(yù)警設(shè)施，無安全監(jiān)測設(shè)備，管理手段落后。

因此，針對(duì)以上安全隱患及大壩運(yùn)行存在的問題，經(jīng)過野外地質(zhì)勘探及室內(nèi)分析，以及以前類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出了以下大壩具體加固措施［4－5］:

1)迎水坡已成干砌石砌護(hù)基本完好，壩頂防浪墻凈高1.1m，為混凝土墻，墻體完好，墻頂高程為607.60 m，滿足計(jì)算壩頂高程607.33 m要求，本次設(shè)計(jì)不再進(jìn)行處理。

2)壩頂加寬，背水坡培厚。將壩頂寬度由3.0m加寬至5.0m;背水坡進(jìn)行培厚，由壩頂606.5 m至壩腳，二段坡比依次為1∶1.5、1∶3，其間結(jié)合已成上壩路處設(shè)一處5m 寬馬道。培厚土體的干密度要求達(dá)到現(xiàn)狀壩體土的平均值(要求培厚土干密度達(dá)到16 kN/m3)。坡面種植草皮護(hù)坡，并設(shè)置漿砌石縱、橫排水溝。

3)下游坡腳增設(shè)排水棱體，棱體頂部高程為592.15m，排水棱體頂寬1m，底寬12m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶1.5，采用干砌塊石作為排水棱體材料，并在排水棱體與壩坡及基礎(chǔ)間設(shè)置砂礫石反濾層。

4 加固后計(jì)算分析

針對(duì)現(xiàn)狀大壩，上游壩坡維持原狀，僅做護(hù)坡處理，對(duì)下游壩坡加高培厚，并在下游壩腳設(shè)導(dǎo)滲溝，增設(shè)排水棱體。迎水坡坡面自坡腳至正常高水位以上2.0m 采用干砌與漿砌石護(hù)坡。水庫大壩加固后的正常蓄水位603.84m，設(shè)計(jì)洪水位為605.76m，校核洪水位為606.57m。加固后大壩典型橫斷面圖如圖1 所示。

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

選取最大壩高斷面為典型計(jì)算斷面，針對(duì)正常蓄水位下現(xiàn)狀大壩、加固后大壩兩種工況進(jìn)行壩體的穩(wěn)定計(jì)算分析。采用二維有限元分析法計(jì)算［6－8］。根據(jù)地勘報(bào)告選取壩體土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值，見表1。

圖1 大壩典型橫斷面圖

表1 壩體各土層物理力學(xué)參數(shù)取值

計(jì)算工況:①現(xiàn)狀大壩正常蓄水位下上下游壩坡穩(wěn)定分析;②現(xiàn)狀大壩正常蓄水位(遇Ⅶ度地震)下上下游壩坡穩(wěn)定分析;③加固后大壩正常蓄水位下上下游壩坡穩(wěn)定分析;④加固后大壩正常蓄水位(遇Ⅶ度地震)下上下游壩坡穩(wěn)定分析;

4.2 現(xiàn)狀大壩計(jì)算結(jié)果分析

圖2 ～5 為現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，其各個(gè)工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表2 所示。

4.3 加固后大壩計(jì)算結(jié)果分析

圖6 ～9 為現(xiàn)狀大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，其各個(gè)工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見圖所示。

圖2 正常蓄水位時(shí)上游壩坡安全系數(shù)

圖3 正常蓄水位時(shí)下游壩坡安全系數(shù)

圖4 遇地震時(shí)上游壩坡安全系數(shù)

圖5 遇地震時(shí)下游壩坡安全系數(shù)

圖6 設(shè)計(jì)正常蓄水位時(shí)上游壩坡安全系數(shù)

圖7 設(shè)計(jì)正常蓄水位時(shí)下游壩坡安全系數(shù)

圖8 遇地震時(shí)上游壩坡安全系數(shù)

圖9 遇地震時(shí)下游壩坡安全系數(shù)

表2 各個(gè)工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由圖2 ～5 及表2 表明，現(xiàn)狀大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.913、1.409 滿足規(guī)范要求，但下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.01、0.72 不滿足規(guī)范要求，因此現(xiàn)狀大壩抗滑穩(wěn)定不滿足安全要求。

由圖6 ～9 及表2 表明，依據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求，加固后大壩上下游壩坡穩(wěn)定分析結(jié)果在各種情況下均滿足邊坡穩(wěn)定要求。因此大壩除險(xiǎn)加固方案科學(xué)合理，能夠滿足水庫大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本次除險(xiǎn)加固工程主要對(duì)現(xiàn)狀大壩穩(wěn)定進(jìn)行了復(fù)核，針對(duì)出現(xiàn)的安全隱患問題根據(jù)問題進(jìn)行壩身加固處理，并對(duì)加固后的大壩進(jìn)行多種工況計(jì)算分析，分析結(jié)果表明加固措施穩(wěn)固可靠，能夠保證水庫大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另外還應(yīng)完善大壩的通訊設(shè)備以及日常大壩運(yùn)行的檢測系統(tǒng)，以保證大壩的運(yùn)行時(shí)刻在有效的監(jiān)控之下。

［1］王黎平，陸飛宇.小型水庫土石壩除險(xiǎn)加固問題淺析［J］.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(2):6－8.

［2］吳紅.新城水庫土石壩除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)綜述［J］.黑龍江水利科技，2010，38(2):136－137.

［3］胡小龍，焦本，任翔，等.土石壩防滲加固安全形態(tài)分析［J］.水電能源科學(xué)，2010，28(9):55－56.

［4］吳劍.碾壓式土石壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)與施工［J］.黑龍江水利科技，2014(2):161－162.

［5］羅東翔，王東.土石壩除險(xiǎn)加固方案比選研究［J］.陜西水利，2014(1):105－106.

［6］姚鋒杰.基于渾水滲流理論的某心墻土石壩滲流穩(wěn)定機(jī)理研究［J］.水力發(fā)電，2012，38(10):24－27.

［7］王剛.復(fù)雜水力條件下的壩坡滲流及穩(wěn)定分析［J］.水電能源科學(xué)，2011，29(11):77－79.

［8］沙成剛.基于Geo－Studio 的土石壩滲流與穩(wěn)定分析研究［D］:［碩士學(xué)位論文］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2014.