小型土石壩排水體除險加固方案研究

□劉 克（鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院）

0 引言

隨各地氣候、地形、地質(zhì)條件不同，修建的大壩類型也不相同，具有區(qū)域性的特點，土石壩是其中重要壩型。在我國，平原區(qū)和淺山丘陵區(qū)的中小型水庫中以土石壩居多，其中碾壓式土石壩應(yīng)用最廣泛。眾多的小型土石壩經(jīng)長年運行，存在不同程度的問題。在所有壩型中，土石壩在出現(xiàn)險情時，對下游的影響是最為嚴重的。為保證庫區(qū)群眾人民生命財產(chǎn)安全，我國對小型水庫全面除險加固十分必要。

排水體是土石壩的重要設(shè)施，是為了降低壩體浸潤線，減小壩體空隙水壓力，提高壩坡穩(wěn)定性；控制滲流，防止?jié)B透破壞，保護壩坡土，防止凍漲破壞。其對合理確定壩體尺寸，節(jié)約工程投資，保證壩體滲流穩(wěn)定具有重要作用。我國修建于上世紀50-70年代的小型水庫土石壩，受建設(shè)歷史條件影響和長年運行，各設(shè)施不同程度出現(xiàn)問題，排水體作為土石壩的主要組成部分，常出現(xiàn)的問題是下游壩坡坡腳排水體缺失或排水體損壞等引起水庫蓄水期間下游壩坡滲流溢出點偏高，極易發(fā)生滲透破壞，導(dǎo)致大壩不能正常蓄水使用。

采用現(xiàn)行規(guī)范和計算方法對上世紀建設(shè)的土石壩進行分析時，往往發(fā)現(xiàn)這些小型土石壩并不完全滿足采用現(xiàn)行規(guī)范穩(wěn)定安全系數(shù)要求，或者一些下游壩坡排水設(shè)施缺失。與新建土石壩設(shè)計不同，完全挖除壩體，修復(fù)或完善設(shè)施后重新回填，尤其是對于相對較高的小型土石壩除險加固來說，顯然不經(jīng)濟。文章以某鎮(zhèn)小型土石壩排水體除險加固方案選擇為例，闡明小型土石壩除險加固工程設(shè)計方案選擇思路。

1 工程概況

某小型水庫興建于上世紀70年代，由于受歷史條件的影響及施工條件的制約，加之各方面的條件限制，施工機具又極其落后，所以水庫存在著許多質(zhì)量問題，運行過程中出現(xiàn)了幾次險情，經(jīng)及時處理及限制水位運行，險情基本得到控制，但不能正常發(fā)揮效益，需除險加固。壩體排水棱體除險加固是其中主要內(nèi)容之一。

水庫是一座以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉和供水為主的小Ⅱ型水庫，主要建筑物有大壩、溢洪道和放水管。大壩為均質(zhì)土壩，壩長218m，高30.16m，壩頂寬3.40m，防浪墻平均高1.10m。設(shè)計標準為20a一遇設(shè)計，300a一遇校核，興利庫容21.34萬m3，總庫容30.95萬m3，可灌溉43.33hm2土地。壩體主要為壤土，土質(zhì)不均勻，含風化巖屑及小礫石，下游壩腳有排水棱體。放水管為漿砌石城門洞型無壓洞，斷面尺寸1.00m×1.70m，洞長99.00m，最大泄量1.50m3/s。放水管進口有閘門控制；下游出口有一灌溉支洞，現(xiàn)已封堵廢棄。溢洪道位于大壩右壩頭，距壩頭約10.00m，溢洪道底寬11m，下游接陡坡泄流。

水庫位于低山區(qū)，兩岸山坡較陡，上部基巖裸露，下部多被第四系坡洪積覆蓋，庫內(nèi)河谷呈“V”字型，河床寬100～150m,河床零星分布有殘留一級階地，且分布不對稱。壩址區(qū)出露的基巖為震旦系石英砂巖和前震旦系絹云母片巖。河槽部分壩基巖層主要為絹云母片巖，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，表層多具強風化，具弱透水性。兩壩肩基巖均為絹云母片巖，局部有石英砂巖。壩體填土巖性以壤土為主，粘粒含量為24%，土質(zhì)不均勻，局部填土為砂壤土且含有小礫石及風化巖碎屑，取樣室內(nèi)試驗滲透系數(shù)為4.50×10-5cm/s具弱透水性。

查看本水庫原始設(shè)計資料，得知原設(shè)計為均質(zhì)土壩，壩體下游壩坡采用棱體排水的結(jié)構(gòu)形式。但對比水庫原始設(shè)計資料和實測大壩斷面，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計的排水棱體在現(xiàn)狀壩體下游坡腳以外部分缺失，并不完整。經(jīng)現(xiàn)場開挖探坑發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀壩體僅在主河槽及左岸灘地段有排水棱體，但中部棱體高，兩側(cè)棱體低，立面大致呈“U”型分布，排水棱體頂高程425.45m，底高程422.35m，壩軸線方向僅長約23m；壩體在河道主河槽右岸灘地段坡腳為土體，無排水棱體，壩基礎(chǔ)局部出露基巖。

2 除險加固設(shè)計

按此水庫除險加固地勘資料，對大壩各典型斷面進行滲流分析和穩(wěn)定分析。設(shè)計壩坡穩(wěn)定分析采用河海大學編制的autobank6.1程序，按瑞典圓弧法計算，采用有限元法計算。壩體穩(wěn)定滲流期和上游水位降落時的滲透壓力采用近似法計算，即計算滑動力矩時，浸潤線以下、靜水位以上的土體采用飽和密度γs；計算抗滑力矩時，浸潤線以下靜水位以上的土體用浮密度γb（當計算上游坡穩(wěn)定時，以上游靜水位為準；計算下游坡穩(wěn)定時，以下游坡靜水位為準）；浸潤線以上土體，不論計算滑動力矩及抗滑力矩，均用濕密度γw；對于上、下游靜水位以下的壩殼部分皆采用浮密度γb計算。土料強度浸潤線以下采用飽和固結(jié)快剪小值平均值，浸潤線以上采用原狀土不飽和快剪小均值。計算斷面采用實測壩體斷面。各工況，壩體上下游邊坡穩(wěn)定分析成果見表1。

表1 復(fù)核大壩穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果表

根據(jù)上述分析計算結(jié)果，下游壩坡在設(shè)計水位條件下穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，為此需對壩體采取除險加固措施。綜合分析各工況計算結(jié)果及試算過程，分析得出壩體下游壩坡不穩(wěn)定原因是滲流浸潤線位置偏高。

2.1 除險加固方案

針對灘地段壩體無排水棱體和有排水棱體段壩體有不穩(wěn)定的工況，分析可采用以下2種思路對壩體排水體采取工程措施，確保壩體穩(wěn)定：①通過降低浸潤線及其下游壩坡溢出點的方式來滿足壩體穩(wěn)定,②下游坡面增設(shè)貼坡排水體，加固壩坡。

為保證主河槽段壩體正常排水，保證下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全，初步考慮3種方案，對比分析后選擇切實可行的加固方案，各方案如下：方案一是恢復(fù)原設(shè)計棱體排水方案。對灘地段壩體下游坡腳開挖后布設(shè)棱體排水，對大壩下游坡高程432.48m至高程426.67m范圍內(nèi)培土放緩坡比至1：2.50;高程426.67至坡腳421.66范圍內(nèi)，恢復(fù)加固排水棱體，頂寬1m，內(nèi)坡比1：2.50，外坡比1：3。排水體在干砌石之下采用;方案二是增設(shè)貼坡排水體方案。對現(xiàn)狀下游壩按1：1坡削坡后，在坡腳增設(shè)貼坡排水體，在設(shè)計水位滲流溢出點以上高程433.48m處至坡腳421.66m范圍內(nèi)增設(shè)貼坡排水體，邊坡1：2.50。在有排水棱體段，對現(xiàn)狀排水棱體表面干砌石拆除，清除淤積后，繼續(xù)砌筑貼坡排水體；在無排水棱體壩段，新鋪設(shè)貼坡排水體，壩坡清基后依次鋪設(shè)15.00cm的粗砂墊層和15.00cm礫石墊層和干砌塊石；方案三是增設(shè)橋式濾水管輔助排水方案。在現(xiàn)狀下游壩坡腳局部開挖后，對出露壩體斷面順水平方向鉆孔并埋設(shè)橋式濾水管，共布置兩排，最底一排距河床地面1m，排水反濾管在開挖坡面上呈梅花狀布置，水平向間距2m，豎向間距均為1m，底層水平向孔長約13.20m，頂層水平向孔長約10.10m。排水花管下游接本次翻修加固的排水棱體。各方案簡圖見圖1、圖2、圖3。

圖1 下游坡腳排水體除險加固方案一簡圖

圖2 下游坡腳排水體除險加固方案二簡圖

圖3 下游坡腳排水體除險加固方案三簡圖

2.2 方案分析與選擇

方案一是按照新建土石壩的思路，恢復(fù)完善排水棱體，方案實施后的優(yōu)點是排水效果好，可有效降低壩體內(nèi)浸潤線。缺點是，排水棱體需開挖下游坡腳土體后鋪設(shè)排水棱體，土方開挖量大，對原壩體擾動大，現(xiàn)有棱體拆除翻修量大。

方案二是按照現(xiàn)狀大壩下游邊坡需要的穩(wěn)定斷面尺寸與壩體下游排水設(shè)施相結(jié)合的思路，增設(shè)貼坡排水體，加固壩體。優(yōu)點是現(xiàn)狀下游坡腳壩體結(jié)合削坡，可翻修現(xiàn)狀排水棱體中表面已淤塞部分，且整體土方開挖量少，對原狀壩體擾動小，壩體下游坡抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定可同時滿足規(guī)范要求，缺點是貼坡排水體砌石量較大。

方案三是按照恢復(fù)排水棱體排水功能的思路，在無排水棱體的壩段增設(shè)水平向橋式濾水管，達到排水棱體同樣排水效果的目的。優(yōu)點是砌石量較方案二少，對現(xiàn)狀壩體擾動小，缺點是水平向濾水管需水平向鉆孔，施工工序復(fù)雜，尤其上排水平相濾水管孔鉆孔距離地面高差4m，水平鉆孔施工難度大，需要墊土作為鉆孔平臺，工期較長。

以上三方案，經(jīng)分析均可滿足壩體滲流及穩(wěn)定要求，但投資和工期不同，考慮本工程距離城區(qū)遠，但石料豐富，且為小型土石壩工程，長年沉降已穩(wěn)定，本著盡量減少對壩體擾動，充分利用當?shù)夭牧虾陀邢尥顿Y的原則，最終選定方案二作為壩體下游坡排水體除險加固方案。

3 結(jié)語

建國以來，我國在土石壩建設(shè)及運行維護過程中，積累了極其豐富的經(jīng)驗。我國小型土石壩有其自身的建設(shè)歷史條件，在除險加固工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)小型土石壩其自身的建設(shè)條件、工程現(xiàn)狀條件和小型水庫除險加固工程規(guī)模小、投資較少的特點，按照維修加固的思路選擇切實可行的加固方案，盡量減少對現(xiàn)狀壩體的擾動破壞，發(fā)揮工程效益。