芒勇水庫除險加固設(shè)計探析

陸龍池+冉習(xí)

摘 要：芒勇水庫大壩為兩期建成的漿砌石單曲拱壩，因建成時期技術(shù)落后，存在不同程度的安全隱患。為了消除水庫病害，針對水庫大壩存在的險情，設(shè)計采取增加壩頂防浪墻、對左岸進(jìn)行帷幕灌漿、更換閘門及啟閉機(jī)等除險加固技術(shù)方案處理水庫大壩存在的問題。經(jīng)實施效果評價，設(shè)計技術(shù)方案合理，達(dá)到除險加固目的。

關(guān)鍵詞：除險加固 設(shè)計 技術(shù) 方案

1.工程簡況

芒勇水庫位于貴州省三都縣境內(nèi)，屬珠江流域柳江水系打狗河上游支流河段，壩址以上集雨面積86.2km2，是一座以農(nóng)田灌溉為主，兼顧農(nóng)村人飲任務(wù)的綜合利用水利工程。水庫總庫容2049萬m3，灌溉面積4.47萬m3，工程規(guī)模為中型。

水庫始建于1978年，1979年停建。1989年復(fù)建，1995年建成蓄水。擋水大壩為漿砌石單曲拱壩，最大壩高32.0m，壩頂高程852.00m，壩頂寬5.0m，壩頂弧長169.5m。泄洪建筑物形式為壩頂泄洪，采用挑流鼻坎消能，溢流堰頂高程848.10m。放水建筑物形式為岸邊塔式取水、左岸隧洞放水，設(shè)計放水流量4.0m3/s，取水口設(shè)閘門控制放水。

大壩座落在三疊系新苑組（T2x）青灰色含鈣質(zhì)頁巖夾細(xì)粒砂巖地層之上，壩基巖體為CIII1、CIII2類，總體屬軟質(zhì)巖，遇水易軟化，抗風(fēng)化能力弱，工程地質(zhì)條件較差。

2.水庫大壩存在的主要問題

2. 1大壩安全超高復(fù)核

結(jié)合工程規(guī)模和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇（P=2%），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用500年一遇（P=0.2%）。經(jīng)調(diào)洪演算，大壩設(shè)計洪水位為850.23m，校核洪水位為850.96m。根據(jù)《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于非溢流壩壩頂超高的計算公式（△h=2h1+h0+hc）計算，本工程△h=0.71+0.2+0.3=1.21m?，F(xiàn)壩頂高程為852.00m，壩頂滿足規(guī)范要求，但加上安全超高1.21m后，防浪墻頂應(yīng)為852.17m高程，而大壩無防浪墻，不滿足安全超高要求。

2.2庫首左岸滲漏分析

庫首左岸出露地層為T2x青灰色含鈣質(zhì)頁巖與細(xì)粒砂巖互層，分水嶺山體單薄，且有與壩區(qū)河谷呈平行發(fā)育的低鄰谷，水平距離180m，水位落差28m，水力比降15.6%。左岸鄰谷有大片沼澤濕地和漏水點，總漏水量為10L/s。據(jù)鉆探揭示，左岸山體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層強(qiáng)風(fēng)化厚度達(dá)15.0-19.0m，地下水位低于正常水位12.5m，庫首左岸存在鄰谷滲漏問題。

2.3壩體滲漏分析

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)早期老壩體浸潤嚴(yán)重，局部形成射流，后期壩體局部也存在浸潤。鉆孔壓水試驗表明，壩體高程838.0m以上透水率一般小于3Lu，局部大于5Lu；高程838.0m以下的老壩體透水率一般為5-10Lu之間，局部大于10Lu，滲透性明顯較大。分析認(rèn)為，壩體分兩期建成，早期壩體膠結(jié)材料為砂漿，受施工技術(shù)水平限制，形成壩體的空隙較大；后期壩體膠結(jié)材料為砼，情況有所改善，但局部仍存在空隙大的問題。

2.4 壩基滲漏分析

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壩腳和左右壩肩共有明顯漏水點4處，范圍較大的浸潤4處，總滲漏量達(dá)2.3L/s。室內(nèi)試驗表明，壩基含鈣質(zhì)頁巖遇水軟化后，強(qiáng)度指標(biāo)降低達(dá)47%左右。分析認(rèn)為，壩基巖層雖屬隔水層，但因受區(qū)域構(gòu)造和風(fēng)化作用的影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，裂隙相互連通形成庫水的滲漏途徑，一般滲漏量較小，范圍分散。原設(shè)計未作固結(jié)灌漿和帷幕灌漿處理，致使壩基滲漏量逐年加大。

2.5泄洪沖刷計算

溢洪道位于壩頂中部，泄洪沖刷區(qū)出露基巖為軟質(zhì)巖，遇水易軟化，抗沖刷能力差，沖刷系數(shù)1.8。經(jīng)現(xiàn)場測量，沖坑深度已達(dá)5.0m，壩后開始形成臨空面。利用《水力學(xué)計算手冊》中的沖刷計算公式對泄洪挑流及下游沖坑穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果顯示，沖坑最深點距壩趾距離30.1m，最大沖坑深度13.7m，沖坑后坡坡比i=1：2.2，大于穩(wěn)定要求的ik=1：2.5，因此，可判斷沖坑后坡影響壩基的安全穩(wěn)定。

2.6放水隧洞漏水分析

放水隧洞位于左岸，總長146.5m，斷面為城門洞型，寬×高為2.3m×2.3m，采用M5漿砌石襯砌，厚50cm，側(cè)墻和頂拱用厚6cm的C15鋼絲網(wǎng)砼防滲，底板用厚5cm的C10砼防滲。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，洞內(nèi)和出口周邊漏水嚴(yán)重，洞內(nèi)漏水點集中在進(jìn)口0-50m范圍內(nèi)，漏水量達(dá)200L/s，隧洞出口周邊漏水量達(dá)100L/s。分析認(rèn)為，因施工技術(shù)原因，隧洞施工時對圍巖的擾動較大，成型斷面不規(guī)則，掉塊嚴(yán)重。據(jù)勘測，進(jìn)口段多處裂縫漏水，洞頂?shù)魤K局部最大高度達(dá)3.1m，底板因高程錯誤回填有80cm厚的石渣，原設(shè)計未作固結(jié)和回填灌漿處理，也未設(shè)截流環(huán)，防滲層較薄，使庫水沿隧洞砌體周邊滲漏，大部分從砌體施工縫隙滲入洞內(nèi)。

2.7近壩庫岸穩(wěn)定分析

近壩左岸布置有取水塔，高程852.0m以上曾經(jīng)發(fā)生過小型滑坡。右壩肩布置有沖沙底孔，進(jìn)口右側(cè)邊坡較陡，上部已發(fā)生坍塌現(xiàn)象。此外，左右壩肩原開挖面常發(fā)生塌落現(xiàn)象。分析認(rèn)為，近壩庫岸覆蓋層較厚，基巖為軟質(zhì)巖，遇水易軟化，且岸坡較陡。結(jié)合近壩庫岸地形地質(zhì)條件，采用瑞典條分法對庫岸邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析計算，利用《北京理正計算程序》邊坡穩(wěn)定分析的等厚土層土坡穩(wěn)定計算程序計算，在水庫放空時，經(jīng)計算得岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.27>〔K0=1.15〕，自然邊坡總體是穩(wěn)定的。但在庫水消落、沖淘和風(fēng)浪的作用下，庫岸局部土體和強(qiáng)風(fēng)化巖屑不斷垮塌和崩落，會造成局部失穩(wěn)及流土，影響取水口及底孔的正常運(yùn)行。

2.8閘門啟閉困難

取水口共安裝事故平面閘門和工作平面閘門各一扇，閘門尺寸為1.2m×1.2m，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉?，F(xiàn)狀閘門變形漏水嚴(yán)重，啟閉困難。原因主要是門葉結(jié)構(gòu)變形，門體和附件銹蝕嚴(yán)重，啟閉機(jī)老化等。endprint

3.除險加固設(shè)計方案

3. 1 壩頂防浪墻設(shè)計

根據(jù)大壩安全超高復(fù)核成果，大壩需增設(shè)20cm以上的防浪墻方可滿足水庫運(yùn)行和防洪的要求。結(jié)合壩頂安全防護(hù)的需要，設(shè)計在壩頂上游側(cè)設(shè)置防浪墻，下游側(cè)設(shè)置防護(hù)欄桿，以滿足大壩安全超高要求。

設(shè)計防浪墻總長170.0m，高1.2m，采用C20鋼筋砼澆筑，厚度30cm，每隔1.5m設(shè)立柱，立柱間設(shè)矩形花紋裝飾。下游欄桿采用C20鋼筋砼預(yù)制組裝。

3.2庫首左岸帷幕灌漿設(shè)計

庫首左岸有一低丫口，根據(jù)勘探鉆孔資料，巖體透水率q≤5Lu弱透水層頂板高程825.0m-829.0m，往左岸山頂方向，地下水位以26%的比降抬升。結(jié)合左岸地形地質(zhì)條件，設(shè)計采取帷幕灌漿的方案處理左岸的滲漏問題。

設(shè)計帷幕線沿左岸山脊上游側(cè)布置，以盡量減少無效進(jìn)尺，右端接左壩肩帷幕，左端接地下水位。帷幕形式為封閉式，考慮到左岸放水隧洞兩側(cè)巖體因開挖擾動破碎，在放水隧洞部位設(shè)雙排孔，其余地段設(shè)單排孔，排距1.5m，基本孔距3.0m，帷幕線長137m。帷幕深度原則上深入q≤5Lu弱透水層5m或深入地下水位以下10m，帷幕下限高程820.0m-838.0m。采用自下而上分段循環(huán)式灌漿工法，合格標(biāo)準(zhǔn)為巖體透水率q≤5Lu。設(shè)計主帷幕鉆孔47個，副帷幕鉆孔9個。

3.3壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿設(shè)計

針對壩體的滲漏特點，設(shè)計采用帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿的方案對壩體滲漏進(jìn)行處理。主要是通過補(bǔ)強(qiáng)灌漿充填壩體內(nèi)部空隙，提高壩體的整體強(qiáng)度和防滲性能，達(dá)到防滲截漏的目的。

結(jié)合壩基防滲處理的需要，補(bǔ)強(qiáng)灌漿鉆孔沿壩頂軸線偏上游側(cè)布置，與壩基帷幕鉆孔共用，其中，利用壩身段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿。單排孔，基本孔距2.0m，帷幕線長168m。采用自下而上分段循環(huán)式灌漿工法，合格標(biāo)準(zhǔn)為壩體透水率q≤3Lu。設(shè)計補(bǔ)強(qiáng)灌漿鉆孔85個。

3.4 壩基固結(jié)灌漿和帷幕灌漿設(shè)計

（1）固結(jié)灌漿設(shè)計

根據(jù)壩基巖性特點，為控制壩基巖體遇水軟化而降低其力學(xué)指標(biāo)，確保大壩安全，設(shè)計對壩基全面進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

設(shè)計固結(jié)灌漿鉆孔為4排，自上游往下游編號為A、B、C、D排。其中，A排由壩基帷幕孔兼，B排沿壩頂軸線偏下游側(cè)布置，距離A排1.0m，為傾向下游斜孔（傾角87°）；C、D排從下游面灌漿平臺施工，C排為傾向上游斜孔（傾角79°），D排為鉛直孔。采用巖芯鉆機(jī)鉆孔，孔位交錯布置，基本孔距3.0m，孔深深入基巖8.0-18.0m。采用自下而上分段循環(huán)式灌漿工法，合格標(biāo)準(zhǔn)為巖體透水率q≤5Lu。設(shè)計固結(jié)灌漿鉆孔198個。

（2）帷幕灌漿設(shè)計

為了有效控制因壩基滲漏而降低結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，確保大壩的安全穩(wěn)定，設(shè)計采用帷幕灌漿的方案對壩基進(jìn)行處理。

結(jié)合壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿的布置，利用補(bǔ)強(qiáng)灌漿鉆孔基巖段進(jìn)行帷幕灌漿。帷幕左端接左岸帷幕，右端向右岸坡延長接右岸地下水位。根據(jù)鉆探成果，左壩肩巖體透水率q≤3Lu弱透水層頂板高程820.0m，河床段壩基巖體透水率q≤3Lu弱透水層頂板高程815.0m，右壩肩巖體透水率q≤3Lu弱透水層頂板高程829.0m。因此，結(jié)合工程規(guī)模和壩基地質(zhì)條件，設(shè)計帷幕下限為：左壩肩820.0m高程；河床段800.0m高程；右壩肩824.0-837.0m高程。帷幕形式為封閉式，單排孔，基本孔距河床段為2.0m、右岸坡為3.0m，帷幕線長232m。采用自下而上分段循環(huán)式灌漿工法，合格標(biāo)準(zhǔn)為巖體透水率q≤3Lu。設(shè)計帷幕灌漿鉆孔105個。

3.5下游護(hù)坦設(shè)計

針對下游沖刷區(qū)存在的問題，考慮到壩基鈣質(zhì)頁巖易風(fēng)化、遇水易軟化的特點，同時為防止小流量的沖刷破壞，使沖坑后坡至壩趾基巖逐漸淘空而影響壩基安全穩(wěn)定，設(shè)計對壩趾后作護(hù)坦保護(hù)處理。

參照消能防沖設(shè)計規(guī)范，護(hù)坦設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇（P=3.3%）。設(shè)計護(hù)坦延伸長度9.0m，坡比1∶3，采用C25鋼筋砼澆筑，厚度1.0m，并在末端設(shè)置齒墻，齒墻底部高程按30年一遇沖坑深度控制。護(hù)坦基礎(chǔ)采用Ф25錨桿錨固，間距1.5m×1.5m，并設(shè)Ф40mm排水孔，間距3m×3m。設(shè)計護(hù)坦面積585m2。

3.6放水隧洞加固設(shè)計

3.6.1加固方案

針對放水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、漏水問題嚴(yán)重的現(xiàn)狀，首先提出對隧洞加固處理的原則是：①滿足隧洞穩(wěn)定要求；②滿足滲流穩(wěn)定要求；③滿足水力計算要求；④投資省。經(jīng)綜合比較，設(shè)計采取洞內(nèi)和洞外防滲加固并舉的方案處理放水隧洞漏水問題。其中，洞內(nèi)措施是先在取水塔后、左岸帷幕線交點上、頂板掉塊嚴(yán)重部位設(shè)置砼截流環(huán)防滲，再對隧洞進(jìn)行充填灌漿和固結(jié)灌漿；洞外措施是在地表利用鉆孔灌漿對隧洞進(jìn)行防滲加固。

3.6.2洞內(nèi)防滲加固設(shè)計

（1）截流環(huán)

為配合隧洞充填灌漿和與左岸帷幕搭接，并對洞頂嚴(yán)重掉塊部位進(jìn)行有效處理，設(shè)計分別在樁號16.5m、52.5m、94m、118m設(shè)置4道截流環(huán)，并在樁號52.5m截流環(huán)上設(shè)置2環(huán)風(fēng)鉆鉆孔帷幕灌漿與左岸帷幕搭接，截流環(huán)同時作為充填灌漿分區(qū)的端部。

設(shè)計截流環(huán)結(jié)構(gòu)為：寬度2.0m，深入完整基巖1.0-2.0m，采用C20砼澆筑。環(huán)內(nèi)斷面與隧洞斷面一致。

（2）充填灌漿

經(jīng)對隧洞進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核計算，隧洞漿砌石砌體能滿足穩(wěn)定要求，但不能滿足運(yùn)行穩(wěn)定要求。針對隧洞頂板存在空洞、底板為石渣回填的現(xiàn)狀，設(shè)計首先對隧洞空洞部位采用C20泵送砼回填、對隧洞底板采用C20鋼筋砼加固后，再全斷面對隧洞進(jìn)行充填灌漿處理。設(shè)計充填灌漿采用風(fēng)鉆鉆孔，灌注純水泥漿或水泥砂漿。鉆孔布置在底板、左右邊墻、頂拱共4排，孔距3.0m，孔深深入基巖10cm，孔位交錯布置，利用截流環(huán)作為分區(qū)端部分成4個灌區(qū)施工。設(shè)計鉆孔180個，灌漿面積830m2。endprint

（3）固結(jié)灌漿

因受開挖擾動的影響，隧洞圍巖較破碎，除進(jìn)行充填灌漿外，設(shè)計采取風(fēng)鉆鉆孔固結(jié)灌漿的方案加固隧洞圍巖。設(shè)計鉆孔按左邊墻1排、右邊墻1排、頂拱2排布置，孔距3.0m，孔位交錯布置，孔深深入基巖2.0m，采用全孔一次灌漿工法。設(shè)計鉆孔180個。

3.6.3 洞外防滲加固設(shè)計

根據(jù)隧洞存在不滿足抗外水壓力要求的情況，在洞內(nèi)加固措施的基礎(chǔ)上，為了有效防止外水壓力對隧洞的破壞，設(shè)計采取地表鉆孔防滲灌漿的方案進(jìn)行處理。

設(shè)計對隧洞進(jìn)口第一道截流環(huán)至左岸帷幕線之間進(jìn)行地表鉆孔防滲灌漿，長度36m。鉆孔沿隧洞中心和兩側(cè)布置，共3排孔，排距2.65m，基本孔距3.0m，孔位交錯布置。灌漿頂界為洞頂以上10m，中間排下限深入隧洞頂部，左右排深入隧洞底板以下10m。鉆孔為鉛直孔，采用自下而上分段循環(huán)灌漿工法，合格標(biāo)準(zhǔn)為巖體透水率q≤5Lu。設(shè)計鉆孔36個。

3.7近壩庫岸護(hù)坡設(shè)計

根據(jù)庫岸地形特點和失穩(wěn)模式，設(shè)計按削坡減載、分片分級開挖、護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式輕型多樣的原則，針對不同部位采取不同的護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式，同時設(shè)置排水措施。對上游庫岸，采用砼格柵+錨桿的護(hù)坡方案；對左右壩肩采用漿砌石護(hù)坡方案。經(jīng)穩(wěn)定復(fù)核，護(hù)坡設(shè)計滿足穩(wěn)定要求。

設(shè)計格柵采用C20鋼筋砼澆筑，網(wǎng)格尺寸1.5m×1.5m，格柵梁斷面為30cm×30cm，在網(wǎng)格節(jié)點布置Ф25錨桿，長度5.0m。網(wǎng)格下鋪土工布作反濾，正常水位高程848.1m以下格柵內(nèi)用C20砼護(hù)坡，厚20cm，高程848.1m以上格柵內(nèi)用干砌塊石護(hù)坡，厚30cm。左右壩肩采用M7.5漿砌塊石護(hù)坡，厚30-50cm。護(hù)坡總面積4200 m2。

3.8更換閘門及啟閉機(jī)

針對閘門及啟閉機(jī)存在的問題，設(shè)計采用更換閘門和啟閉機(jī)的方案處理。

設(shè)計事故門、工作門尺寸均為1.2m×1.2m，按動水啟閉條件設(shè)計，結(jié)合原有埋件的布置和利用，選用平面定輪式閘門。

工作閘門需經(jīng)常開啟調(diào)節(jié)流量，選用手電兩用的螺桿式啟閉機(jī)（QL-120KN）。事故閘門要能在動水迅速關(guān)閉，利用水柱閉門，選用卷揚(yáng)式啟閉機(jī)（QPQ-160KN）。

4.結(jié)語

除險加固工作完成后檢查，當(dāng)水庫運(yùn)行到正常水位時，隧洞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，所有原壩體、壩基及左岸鄰谷漏水點消失。通過實施除險加固，使大壩外型得到了改觀，壩體、壩基及左岸滲漏得到了處理，泄洪沖刷得到了控制，近壩庫岸得到了加固，放水設(shè)施得到了完善，大壩安全穩(wěn)定得到了保障，水庫已能正常蓄水運(yùn)行，除險加固效果顯著，說明設(shè)計方案合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫釗.大壩基巖灌漿[M].中國水利水電出版社，2004.

[2]張景秀.壩基防滲與灌漿技術(shù)（第二版）[M].中國水利水電出版社，2002.

[3]水利電力部水利水電規(guī)劃設(shè)計院主編.水利水電工程地質(zhì)手冊[S].水利電力出版社，1985.

[4]李煒.水力計算手冊（第二版）[M].中國水利水電出版社，2006.endprint