水庫大壩除險加固設計及滲流分析

宋曉明

(遼寧省凌源市水務局，遼寧 凌源 122500)

菩薩廟水庫位于大凌河上游南支的西大川河上，壩址位于四官營子鎮(zhèn)大房申村。水庫大壩采用粘土斜墻進行防滲，壩體為壤土、砂礫料混合壩，壩長369m，壩頂高程410.5m，壩頂寬5.5m，最大壩高25.546m。溢洪道位于大壩左端，為開挖山體形成的開敞式溢洪道，堰體為a型駝峰堰。輸水洞位于大壩左側，為鋼筋混凝土圓形有壓隧洞。洞內徑1.2m，全長146m，其中主洞126m，發(fā)電支洞20m。

通過現(xiàn)場調查、勘探、測量得知，菩薩廟水庫大壩壩體為壤土、砂礫料混合壩，壩長369m，壩頂高程410.5m，壩頂寬5.5m(含防浪墻0.5m)，最大壩高25.546m，粘土斜墻頂高程為408.052m，防浪墻為漿砌石結構，頂寬0.5m，頂高程411.627m，防浪墻經過2次加高，現(xiàn)有15條縱向裂縫，且無止水，不能起到防水作用。實測大壩上游壩坡(自上而下)坡比為 1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0，實測下游壩坡(自上而下)坡比為1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4，上游壩坡為干砌石護坡，下游坡為碎石護坡，壩腳處設置貼坡式排水體。

1 大壩滲漏原因分析

菩薩廟水庫大壩已運行45年，對其進行安全評估后發(fā)現(xiàn)存在以下問題［1～2］:

(1)根據(jù)地質勘察，水庫正常蓄水情況下，左、右壩端山體風化帶存在繞滲，需采取防滲處理。

(2)大壩下游壩坡穩(wěn)定系數(shù)小于允許值。上游壩坡干砌塊石塊徑小，厚度不夠，多為片石，需拆除重修。

(3)大壩沒有任何觀測設施，需對水庫配置觀測設備。

(4)粘土斜墻頂高程408.052低于設計洪水位408.407，不滿足規(guī)范要求。防浪墻為漿砌石結構，并沒有止水，起不到擋水作用。

由于大壩心墻高度較小且大壩建筑質量較差，此處容易形成滲流通道［3］。1970年修筑壩體心墻時沒有控制土料質量，根據(jù)鉆孔測量發(fā)現(xiàn)填土的成分為砂壤土、壤土、砂礫料，整體結構松散，易出現(xiàn)塌孔漏水。此外，壩體內的白蟻巢穴較多，如果蟻穴穿透心墻，將形成很多微小滲流通道［4］。

此處的地層為片麻巖，壩基處的巖石風化嚴重，施工時清除強風化層并不徹底，導致仍存在厚度2m左右的強風化層。根據(jù)壓水試驗數(shù)據(jù)，強風化層的透水率為15Lu左右，弱風化層的透水率為8Lu左右。特別是右壩肩處有明顯裂隙發(fā)育，甚至出現(xiàn)繞壩滲漏現(xiàn)象，亟需加固處理。

2 大壩穩(wěn)定分析

取大壩最不利斷面(0+180m)進行穩(wěn)定計算，容重取其平均值，滲透系數(shù)取其試驗參數(shù)的大值均值，抗剪強度指標取其試驗值的小值均值，穩(wěn)定計算中的飽和容重根據(jù)各項試驗值采用下式計算［5］:

式中:G為土粒比重;r為天然容重，kN/m3;W為天然含水量，%;Rw為水的容重，kN/m3。 穩(wěn)定計算出的大壩土料性能指標見表1。

表1 菩薩廟水庫大壩土料性能指標

按混合式土石壩進行穩(wěn)定計算，采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法，計算壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)大壩現(xiàn)狀的實際環(huán)境條件和水位參數(shù)，計算正常運行條件下和非常工作條件下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，計算成果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結果

由表2看出，下游坡安全系數(shù)小于允許安全系數(shù)，所以土壩下游坡是不穩(wěn)定的，不滿足規(guī)范要求，需進行加固處理。

3 大壩除險加固設計

3.1 大壩結構設計

壩頂高程維持原高程410.5m，防浪墻頂高程411.5m，斜墻頂高程408.6m。本次加固設計將壩頂寬度設置為5.5m(含防浪墻)，壩頂路面為7cm厚瀝青路面，墊層為15cm厚水泥穩(wěn)定土基礎和20cm厚砂礫料，路面下游側設15cm寬路緣石。原粘土斜墻頂高程為408.052m，設計粘土斜墻頂高程為408.6m，頂部水平寬度為4.0m，施工時要與原粘土密切銜接好。將原漿砌石防浪墻拆除，新建C25鋼筋混凝土防浪墻。防浪墻后移1.5m，頂高程為411.5m，根據(jù)結構要求，防浪墻底寬取1.8m，頂寬取0.45m，高為2.9m，每20m設一道伸縮縫，防浪墻底坐落在粘土斜墻上，見圖1。

圖1 防浪墻結構示意圖

3.2 護坡設計

上游坡坡比維持現(xiàn)狀不變，坡比為1∶2.5、1∶3.0、1∶2.0(自上而下)，高程 391.5m 和 399.5m處設3.5m和1.5m寬戧臺。上游坡高程391.5m以上部分，由于干砌塊石徑偏小，厚度不夠，塊石多為片石，因此水位波動較大，冬季產生冰凍破壞較嚴重。本次設計從391.5m高程以上拆除干砌石，重新鋪設30cm厚干砌石，干砌石下新鋪設10cm厚碎石墊層。

下游坡原坡比為 1∶1.85、1∶1.93、1∶2.4(自上而下)，壩坡穩(wěn)定系數(shù)沒有達到設計規(guī)范要求。需要用砂礫料將坡體補至設計壩坡，設計坡比為1∶2.25、1∶2.5、1∶2.5(自上而下)。下游壩坡采用20cm厚的手擺石護坡，利用大壩上游坡拆除下來的塊石護砌下游壩坡，在高程400.0m處設2m寬戧臺。

將下游坡原貼坡排水體拆除，建新排水體。根據(jù)下游坡壩腳水位:391.4m+0.6m，將校核水位定為392.0m。后壩坡設2道寬為1m的上壩踏步，6道縱向和2道橫向排水溝。

3.3 土壩滲流計算

根據(jù)地質數(shù)據(jù)可知，粘土的滲透系數(shù)為1.308×10－5cm/s，壤土的滲透系數(shù)為 1.503 ×10－5cm/s，砂礫料的滲透系數(shù)為1.966×10－4cm/s。滲透流量計算公式［5～6］:

壩體單寬流量為:

壩基單寬流量為:

式中:K0為壩基滲透系數(shù);K1為壤土滲透系數(shù);T為壩基透水層深度;He為下游出溢點高度;H1為壩體上游的水深;H2為壩體下游的水深;Le為截水墻不透水頂板的等效長度;ΔL為浸潤線;

由此計算出:正常高水位405.4m下的滲透流量為0.14m3/d;設計水位408.407m下的滲透流量為0.2m3/d;校核水位410.233m下的滲透流量為0.21m3/d;

3.4 邊坡加固后穩(wěn)定校核

采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法，計算加固后的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計算結果見表3。

從表3可看出，設計斷面邊坡穩(wěn)定系數(shù)在任何工況下均大于規(guī)范允許的安全系數(shù)，所以加固后的大壩邊坡是穩(wěn)定的。

4 結論

對菩薩廟水庫大壩進行穩(wěn)定計算，發(fā)現(xiàn)土壩下游坡是不穩(wěn)定的。因此對水庫大壩進行加固研究，設計了上游護坡、下游護坡。并對土壩進行滲流計算，研究了滲透系數(shù)、滲透流量。最后對大壩設計斷面進行穩(wěn)定性校核，研究表明:加固后的大壩邊坡在任何工況下都是穩(wěn)定的。

表3 邊坡加固后穩(wěn)定校核計算結果

［1］王長金.淺談小(Ⅱ)型土石壩水庫除險加固設計思路［J］.水利技術監(jiān)督，2011(03):50-52.

［2］晏志武.水庫除險加固設計前期工作應注意的問題［J］.水利規(guī)劃與設計，2011(03):71-72.

［3］郭法強，田原.黃羊泉水庫工程除險加固設計［J］.水利技術監(jiān)督，2011(04):61-63.

［4］張麗芬，譚乃元.振沖技術在羊坪水庫除險加固設計中的運用［J］.水利規(guī)劃與設計，2011(04):76-78+84.

［5］杜巧豐，余學彥，陳崇潮.福溪水庫主壩除險加固設計［J］.水利技術監(jiān)督，2012(06):58-61.

［6］袁國培.塑性混凝土防滲墻在水庫大壩除險加固中的應用［J］.水利規(guī)劃與設計，2010(04):59-62.